JP2008181978A - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】チップ面積を縮小することができる、メモリ素子を3次元に配置した不揮発性半導体記憶装置を提供すること。
【解決手段】本発明の不揮発性半導体記憶装置は、抵抗変化素子及びダイオードが直列に接続されたメモリ素子を複数有する複数のメモリ素子群と、メモリ素子群の複数のメモリ素子それぞれの一端にそれぞれ接続された複数のソース線と、を有する。複数のメモリ素子群の前記複数のソース線は、それぞれ、2次元的に広がる板状の導電体層である。
【選択図】図1To provide a non-volatile semiconductor memory device in which memory elements are three-dimensionally arranged, which can reduce a chip area.
A nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a plurality of memory element groups each including a plurality of memory elements in which resistance change elements and diodes are connected in series, and one end of each of the plurality of memory elements in the memory element group. A plurality of connected source lines. Each of the plurality of source lines of the plurality of memory element groups is a plate-like conductor layer that extends two-dimensionally.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は電気的にデータの書き換えが可能な半導体記憶装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device capable of electrically rewriting data and a manufacturing method thereof.
半導体記憶装置の高集積化、大容量化を進めるためには、デザインルールを縮小することが必要となる。デザインルールを縮小するためには、配線パターン等の更なる微細加工が必要となる。配線パターン等の更なる微細加工を実現するためには、非常に高度な加工技術が要求されるため、デザインルールの縮小化が困難になってきている。 In order to increase the integration and capacity of a semiconductor memory device, it is necessary to reduce the design rule. In order to reduce the design rule, further fine processing such as a wiring pattern is required. In order to realize further fine processing of wiring patterns and the like, a very advanced processing technique is required, so that it is difficult to reduce the design rule.
そこで、近年、メモリの集積度を高めるために、メモリ素子を3次元的に配置した半導体記憶装置が多数提案されている(特許文献1乃至4及び非特許文献1)。 Therefore, in recent years, many semiconductor memory devices in which memory elements are arranged three-dimensionally have been proposed in order to increase the degree of memory integration (Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Document 1).
メモリセルを3次元的に配置した従来の半導体記憶装置の多くは、メモリセルを単純に積層していくものが多く、積層数の増加に伴うコスト増大が避けられない。 Many of the conventional semiconductor memory devices in which memory cells are arranged three-dimensionally simply stack memory cells, and an increase in cost due to an increase in the number of stacked layers is inevitable.
また、従来の積層型の不揮発性半導体記憶装置は、ワード線、ビット線及びソース線が階層毎にそれぞれ独立して存在している。よって、積層数が多くなるに従って、ワード線、ビット線及びソース線を駆動するドライバートランジスタの数が多くなり、チップ面積の増大が避けられない。 Further, in a conventional stacked nonvolatile semiconductor memory device, a word line, a bit line, and a source line exist independently for each layer. Therefore, as the number of stacked layers increases, the number of driver transistors for driving word lines, bit lines, and source lines increases, and an increase in chip area is inevitable.
本発明は、不揮発性メモリ素子を3次元に積層した新規な構造を有し、チップ面積を縮小することができる不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。 The present invention provides a nonvolatile semiconductor memory device having a novel structure in which nonvolatile memory elements are three-dimensionally stacked, and capable of reducing the chip area, and a method for manufacturing the same.
本発明の一実施態様によれば、
抵抗変化素子及びダイオードが直列に接続されたメモリ素子を複数有する複数のメモリ素子群と、
前記メモリ素子群の前記複数のメモリ素子それぞれの一端にそれぞれ接続された複数のソース線と、
を有し、
前記複数のメモリ素子群の前記複数のソース線は、それぞれ、2次元的に広がる板状の導電体層であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置が提供される。
According to one embodiment of the invention,
A plurality of memory element groups each including a plurality of memory elements in which a resistance change element and a diode are connected in series;
A plurality of source lines respectively connected to one end of each of the plurality of memory elements of the memory element group;
Have
There is provided a nonvolatile semiconductor memory device, wherein each of the plurality of source lines of the plurality of memory element groups is a plate-like conductor layer extending two-dimensionally.
本発明の一実施態様によれば、
抵抗変化素子及びダイオードが直列に接続されたメモリ素子を複数有する複数のメモリ素子群と、
前記メモリ素子群の前記複数のメモリ素子それぞれの一端にソース及びドレインの一方がそれぞれ接続された複数の選択トランジスタと、
前記のメモリ素子群の前記複数のメモリ素子それぞれの他端にそれぞれ接続された複数のソース線と、
前記複数の選択トランジスタのソース及びドレインの他方がそれぞれ接続された複数のビット線と、
前記複数の選択トランジスタのゲートがそれぞれ接続された複数のワード線と、
を有し、
前記複数のソース線は、それぞれ、2次元的に広がる板状の導電体層であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置が提供される。
According to one embodiment of the invention,
A plurality of memory element groups each including a plurality of memory elements in which a resistance change element and a diode are connected in series;
A plurality of select transistors each having one of a source and a drain connected to one end of each of the plurality of memory elements of the memory element group;
A plurality of source lines respectively connected to the other ends of the plurality of memory elements of the memory element group;
A plurality of bit lines to which the other of the sources and drains of the plurality of selection transistors is connected;
A plurality of word lines to which gates of the plurality of selection transistors are respectively connected;
Have
Each of the plurality of source lines is a plate-shaped conductor layer that extends two-dimensionally, and a nonvolatile semiconductor memory device is provided.
本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法によると、チップ面積を縮小した不揮発性半導体記憶装置を実現することができる。 According to the nonvolatile semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention, a nonvolatile semiconductor memory device with a reduced chip area can be realized.
以下、本発明の不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法の実施形態について説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるわけではない。また、各実施形態において、同様の構成については同じ符号を付し、改めて説明しない場合がある。 Hereinafter, embodiments of the nonvolatile semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments. Moreover, in each embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same structure and it may not explain anew.
(実施形態1)
(単極性動作の不揮発性半導体記憶装置1)
(OxRRAM:Oxide Resistive RAM)
実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1の概略構成図を図1に示す。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1は、メモリ素子領域3、複数のビット線5、ビット線駆動回路7、複数のソース線9、複数のワード線11、ワード線駆動回路13等を有している。実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1のメッキ用配線部17は、不揮発性半導体記憶装置1のメッキプロセスの後に切除された部分を示している。図1に示すように、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1においては、メモリ素子領域3を構成するメモリ素子15は、半導体層を複数積層することによって形成されている。図1に示すとおり、各層のソース線9は、ある領域で2次元的に広がっている。各層のソース線9は、それぞれ同一層からなる板状の平面構造を有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1は、メモリ素子15に流れる電流の向きが一定である。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1を「単極性動作の不揮発性半導体記憶装置」という場合がある。
(Embodiment 1)
(Nonpolar Semiconductor Nonvolatile Semiconductor Memory Device 1)
(OxRRAM: Oxide Resistive RAM)
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a nonvolatile semiconductor memory device 1 according to Embodiment 1 of the present invention. The nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment includes a memory element region 3, a plurality of bit lines 5, a bit line driving circuit 7, a plurality of source lines 9, a plurality of word lines 11, and a word line driving circuit 13. Etc. The plating wiring portion 17 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the first embodiment of the present invention shows a portion that has been removed after the plating process of the nonvolatile semiconductor memory device 1. As shown in FIG. 1, in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to this embodiment, the memory element 15 constituting the memory element region 3 is formed by stacking a plurality of semiconductor layers. As shown in FIG. 1, the source line 9 of each layer extends two-dimensionally in a certain region. The source line 9 of each layer has a plate-like planar structure made of the same layer. In the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment, the direction of the current flowing through the memory element 15 is constant. The nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment may be referred to as “a unipolar nonvolatile semiconductor memory device”.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1は、メモリ素子15が金属酸化物を有する抵抗変化素子を有しているので、OxRRAM(Oxide Resistive RAM)という場合がある。 The nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment may be referred to as OxRRAM (Oxide Resistive RAM) since the memory element 15 includes a resistance change element having a metal oxide.
図2(A)、(B)及び(C)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3の一部の概略構成図である。図2(C)は、メモリ素子領域3の上面図である。図2(C)においては、説明の便宜上、一部は、その上部構造が剥離されて示されている。図2(A)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図2(C)に示すA−A’の断面に相当する図である。図2(B)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図2(C)に示すB−B’の断面に相当する図である。図2に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3は、縦方向に積層された複数のメモリ素子15を有するメモリ素子ストリングス28がマトリクス状に配列した構成を有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3においては、最小加工寸法をFとすると、メモリ素子15のA−A’方向の長さは3Fであり、且つ、B−B’方向の長さは2Fであり、1つのメモリストリングスがn個のメモリ素子15を有する場合(n個のメモリ素子が積層されている場合)、メモリ素子15の面積は6F2/nとなる。 2A, 2B, and 2C are schematic configuration diagrams of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment. FIG. 2C is a top view of the memory element region 3. In FIG. 2C, for convenience of explanation, a part of the upper structure is shown peeled off. 2A is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line AA ′ shown in FIG. FIG. 2B is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross-section BB ′ shown in FIG. As shown in FIG. 2, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment has a configuration in which memory element strings 28 having a plurality of memory elements 15 stacked in the vertical direction are arranged in a matrix. is doing. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment, when the minimum processing dimension is F, the length of the memory element 15 in the AA ′ direction is 3F, and BB ′. The length in the direction is 2F, and when one memory string has n memory elements 15 (when n memory elements are stacked), the area of the memory element 15 is 6F 2 / n.
図3(A)は、図2(A)と同様、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3の一部の断面図である。図3(D)は、メモリ素子15の部分拡大図であり、図3(E)は、メモリ素子15の等価回路図である。図3(F)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1の一部の等価回路である。図3(A)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3は、縦型トランジスタ20を有している。縦型トランジスタ20の上に複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15が積層されている。本実施形態においては、縦型トランジスタ20の上に積層された複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15からなる構成をメモリ素子ストリングス28という。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3は、図1に示すとおり、10×20=200個のメモリ素子ストリングス28を有している。 FIG. 3A is a cross-sectional view of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment, as in FIG. 3D is a partially enlarged view of the memory element 15, and FIG. 3E is an equivalent circuit diagram of the memory element 15. FIG. 3F is an equivalent circuit of a part of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment. As shown in FIG. 3A, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment has a vertical transistor 20. A plurality of (four in the present embodiment) memory elements 15 are stacked on the vertical transistor 20. In the present embodiment, a configuration including a plurality of (four in the present embodiment) memory elements 15 stacked on the vertical transistor 20 is referred to as a memory element string 28. The memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment has 10 × 20 = 200 memory element strings 28 as shown in FIG.
本実施形態においては、メモリストリングス28は、メモリ素子15a〜15dを有している。メモリ素子15aは、金属層163a、酸化遷移金属層160a、金属シリサイド層158a、浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aを有している。メモリ素子15bは、金属層163a、酸化遷移金属層160b、金属シリサイド層158b、浅いp型ポリシリコン層156b及びn型ポリシリコン層144bを有している。メモリ素子15cは、金属層163a、酸化遷移金属層160c、金属シリサイド層158c、浅いp型ポリシリコン層156c及びn型ポリシリコン層144cを有している。メモリ素子15dは、金属層163a、酸化遷移金属層160d、金属シリサイド層158d、浅いp型ポリシリコン層156d及びn型ポリシリコン層144dを有するメモリ素子15dを有している。 In the present embodiment, the memory string 28 includes memory elements 15a to 15d. The memory element 15a includes a metal layer 163a, an oxidation transition metal layer 160a, a metal silicide layer 158a, a shallow p-type polysilicon layer 156a, and an n-type polysilicon layer 144a. The memory element 15b includes a metal layer 163a, an oxidation transition metal layer 160b, a metal silicide layer 158b, a shallow p-type polysilicon layer 156b, and an n-type polysilicon layer 144b. The memory element 15c includes a metal layer 163a, an oxidation transition metal layer 160c, a metal silicide layer 158c, a shallow p-type polysilicon layer 156c, and an n-type polysilicon layer 144c. The memory element 15d includes a memory element 15d having a metal layer 163a, an oxidation transition metal layer 160d, a metal silicide layer 158d, a shallow p-type polysilicon layer 156d, and an n-type polysilicon layer 144d.
図3に示すメモリストリングス28を構成する各メモリ素子15a〜15dは、それぞれに共通した金属層163aを有しており、この金属層163aによって、各メモリ素子15a〜15dの一端がそれぞれ電気的に接続されている。また、n型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dは、板状に形成されており、それぞれソース線9を構成する。本実施形態係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3においては、全てのメモリストリングス28は、n型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dを共通に有している。同一のソース線9によって接続されている複数のメモリ素子をメモリ素子群という。なお、ソース線9は、メモリ素子に流れる電流の向きにより、ドレイン線となる。よって、ソース線9を単に配線という場合がある。 Each of the memory elements 15a to 15d constituting the memory string 28 shown in FIG. 3 has a common metal layer 163a, and one end of each of the memory elements 15a to 15d is electrically connected to the metal layer 163a. It is connected. The n-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d are formed in a plate shape and constitute the source line 9, respectively. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment, all memory strings 28 have n-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d in common. A plurality of memory elements connected by the same source line 9 is called a memory element group. Note that the source line 9 becomes a drain line depending on the direction of current flowing in the memory element. Therefore, the source line 9 may be simply referred to as wiring.
図3(D)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子15aは、金属層163a、酸化遷移金属層160a及び金属シリサイド層158aでなる抵抗変化素子15a1、並びに、抵抗変化素子15a1の一端に接続された、浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aでなるダイオード15a2を有している。つまり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子15aは、抵抗変化素子15a1とダイオード15a2とが直列に接続されている。なお、メモリ素子15aが抵抗変化素子15a1からなり、抵抗変化素子15a1からなるメモリ素子15aの一端にダイオード15a2が接続されていると考えてもよい。他のメモリ素子15b〜15dについてもメモリ素子15aと同様の構成を有している。なお、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子15aにおいては、抵抗変化素子15a1からソース線SLに向かう方向を順方向としたダイオード15a2を有するようにしているが、このダイオード15a2の向きが反対になるように浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aを形成するようにしてもよい。 As shown in FIG. 3D, the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment includes a resistance change element 15a1 including a metal layer 163a, an oxidation transition metal layer 160a, and a metal silicide layer 158a, and a resistance. A diode 15a2 composed of a shallow p-type polysilicon layer 156a and an n-type polysilicon layer 144a is connected to one end of the change element 15a1. That is, in the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment, the resistance change element 15a1 and the diode 15a2 are connected in series. It may be considered that the memory element 15a is composed of the resistance change element 15a1, and the diode 15a2 is connected to one end of the memory element 15a composed of the resistance change element 15a1. The other memory elements 15b to 15d have the same configuration as that of the memory element 15a. Note that the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment includes the diode 15a2 whose forward direction is from the resistance change element 15a1 toward the source line SL. The shallow p-type polysilicon layer 156a and n-type polysilicon layer 144a may be formed so that the directions are opposite.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1においては、メモリ素子15の一端は、ソース線選択トランジスタ26を介してソース線9(SL)に接続されている。上述したとおり、ソース線9は、それぞれ同一層からなる、板状の平面構造を有している。また、メモリ素子15の他端は、縦型トランジスタ20を介してビット線5(BL)に接続されている。ビット線5(BL)の一端には、ビット線選択トランジスタ24が接続されている。このビット線選択トランジスタ24によって、ビット線5(BL)に信号が印加される。ワード線11(WL)は、縦型トランジスタ20のゲートに接続されている。ワード線選択トランジスタ22によって、ワード線11(WL)に信号が印加される。 In the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment, one end of the memory element 15 is connected to the source line 9 (SL) via the source line selection transistor 26. As described above, the source line 9 has a plate-like planar structure, each composed of the same layer. The other end of the memory element 15 is connected to the bit line 5 (BL) via the vertical transistor 20. A bit line selection transistor 24 is connected to one end of the bit line 5 (BL). A signal is applied to the bit line 5 (BL) by the bit line selection transistor 24. The word line 11 (WL) is connected to the gate of the vertical transistor 20. A signal is applied to the word line 11 (WL) by the word line selection transistor 22.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1においては、図3に示すとおり、縦方向に積層された複数のメモリ素子15の一端がそれぞれ接続されており、縦型トランジスタ20を介してワード線11(WL)に接続されている。 In the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, one ends of a plurality of memory elements 15 stacked in the vertical direction are connected to each other, and the word line 11 is connected via the vertical transistor 20. (WL).
図2及び図3においては、1つのメモリ素子ストリングス28について説明したが、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1においては、全てのメモリストリングス28が同様の構成を有している。また、メモリストリングス28の数及びメモリストリングス28を構成するメモリ素子15の数は、メモリ容量に応じて任意の数に適宜変更することが可能である。 2 and 3, one memory element string 28 has been described. However, in the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment, all the memory strings 28 have the same configuration. Further, the number of the memory strings 28 and the number of the memory elements 15 constituting the memory strings 28 can be appropriately changed to any number according to the memory capacity.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1における「読み出し動作」、「書き込み動作」及び「消去動作」について図4〜図9を参照しながら説明する。図4〜図9に示すとおり、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1における「読み出し動作」、「書き込み動作」及び「消去動作」を説明するにあたり、説明の便宜上、3本のビット線BL1〜BL3、3本のワード線WL1〜WL3及び3本のソース線SL1〜SL3によって選択される27個のメモリ素子15からなるメモリ素子領域3を例に採って説明する。ここでは、27個のメモリ素子15をM(i,j,k)で示している。“i”はワード線Wiに、“j”はビット線Biに対応し、“k”はソース線Skに対応している。なお、本発明の不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3は、図4〜図9に示されるものに限定されるわけではない。図4〜図6に示す本実施形態においては、それぞれのメモリ素子15は、抵抗変化素子、及び当該抵抗変化素子の一端に接続され、抵抗変化素子からソース線へ流れる電流の向きを順方向とするダイオードを有している。なお、図7〜図9に示すとおり、このダイオードの接続を反対にしてもよい。また、本実施形態においては、メモリ素子Mのことを「ビット」という場合もある。 The “read operation”, “write operation”, and “erase operation” in the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 4 to 9, for explaining the “read operation”, “write operation”, and “erase operation” in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to the present embodiment, for convenience of explanation, The memory element region 3 including 27 memory elements 15 selected by the bit lines BL1 to BL3, the three word lines WL1 to WL3, and the three source lines SL1 to SL3 will be described as an example. Here, 27 memory elements 15 are indicated by M (i, j, k). “I” corresponds to the word line Wi, “j” corresponds to the bit line Bi, and “k” corresponds to the source line Sk. Note that the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention is not limited to that shown in FIGS. 4 to 6, each memory element 15 is connected to a resistance change element and one end of the resistance change element, and the direction of current flowing from the resistance change element to the source line is defined as a forward direction. Have a diode. In addition, as shown in FIGS. 7-9, you may reverse the connection of this diode. In the present embodiment, the memory element M may be referred to as a “bit”.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1におけるメモリ素子のパラメータは、以下のとおりと仮定していが、これに限定されるわけではない。
書き込み電圧V_set=0.5V
消去電圧V_reset=1V
ダイオードのブレイクダウン電圧VBD=2V
The parameters of the memory element in the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment are assumed to be as follows, but are not limited thereto.
Write voltage V_set = 0.5V
Erase voltage V_reset = 1V
Diode breakdown voltage VBD = 2V
ここで、図82に単極性動作のメモリ素子に電圧を印加した場合に流れる電流の大きさを示すグラフの例である。図82においては、印加電圧(バイアス電圧)を横軸とし、電流を縦軸としている。点線はデータの書き込み時(Set時)のグラフであり、実線はデータの消去時(Reset時)のグラフである。図82に示すように、単極性動作のメモリ素子における印加電圧−電流特性は、データ書き込み時とデータ消去時とで流れる電流に差が生じる。 Here, FIG. 82 is an example of a graph showing the magnitude of a current that flows when a voltage is applied to a unipolar memory element. In FIG. 82, the applied voltage (bias voltage) is on the horizontal axis and the current is on the vertical axis. A dotted line is a graph at the time of data writing (at the time of Set), and a solid line is a graph at the time of erasing data (at the time of Reset). As shown in FIG. 82, the applied voltage-current characteristics in a unipolar memory element have a difference in current flowing between data writing and data erasing.
(本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の読み出し動作(単極性の読み出し動作(Read動作)))
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1におけるデータ(情報)の「読み出し動作」について、メモリ素子M(2,1,2)に記憶されているデータの読み出し動作を例にとって図4を参照して説明する。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1においては、ワード線WL1〜WL3、ビット線BL1〜BL3、ソース線SL1〜SL3それぞれに接続されたトランジスタをON又はOFFすることによって、ワード線WL1〜WL3、ビット線BL1〜BL3、ソース線SL1〜SL3に信号を印加するようにしている。なお、ここで説明する本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1におけるデータの読み出し動作時のワード線、ビット線、ソース線等に印加する電圧のバイアス関係は一例であり、これに限定されるわけではない。
(Read Operation of Nonvolatile Semiconductor Memory Device According to this Embodiment (Unipolar Read Operation (Read Operation)))
Regarding the “read operation” of data (information) in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention related to this embodiment, the read operation of data stored in the memory element M (2, 1, 2) is taken as an example in FIG. Will be described with reference to FIG. In the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to this embodiment, the word lines WL1 to WL3, the bit lines BL1 to BL3, and the transistors connected to the source lines SL1 to SL3 are turned on or off, respectively. Signals are applied to WL1 to WL3, bit lines BL1 to BL3, and source lines SL1 to SL3. The bias relationship of the voltages applied to the word lines, bit lines, source lines, etc. during the data read operation in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention related to this embodiment described here is an example, and It is not limited.
まず、データを読み出す選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線WL2にVon(例えば、Von=3V)を印加し、他のワード線WL1及びWL3にVoff(例えば、Voff=0V)を印加する。また、データを読み出す選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線SL2にVSLread(例えば、VSLread=0V)を印加し、他のソース線SL1及びSL3をフローティングにする。そして、データを読み出す選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線BL1にVBLread(例えば、VBLread=0.2V)を印加し、他のビット線BL2及びBL3をフローティングにする。ここで、ビット線BL1に流れる電流を検知することにより、メモリ素子M(2,1,2)に記憶されている情報を読み出すことができる。つまり、選択メモリ素子M(2,1,2)の抵抗値によって、ビット線BL1に流れる電流値が変化し、この電流値を検出することにより、メモリ素子M(2,1,2)に記憶されている情報を読み出すことができる。ここで、非選択メモリ素子Mについては、非選択メモリ素子Mを間に挟むビット線BLとソース線SLの間に逆バイアスに電圧設定されるダイオードが必ず存在する為、非選択メモリ素子には電流が流れない。 First, Von (for example, Von = 3 V) is applied to the word line WL2 connected to the selected memory element M (2, 1, 2) for reading data, and Voff (for example, Voff is applied to the other word lines WL1 and WL3). = 0V). Further, VSLread (for example, VSLread = 0 V) is applied to the source line SL2 connected to the selected memory element M (2, 1, 2) from which data is read, and the other source lines SL1 and SL3 are brought into a floating state. Then, VBLread (for example, VBLread = 0.2 V) is applied to the bit line BL1 connected to the selected memory element M (2, 1, 2) for reading data, and the other bit lines BL2 and BL3 are floated. . Here, by detecting the current flowing through the bit line BL1, the information stored in the memory element M (2, 1, 2) can be read. That is, the current value flowing through the bit line BL1 varies depending on the resistance value of the selected memory element M (2, 1, 2), and the current value is detected, so that the memory element M (2, 1, 2) stores the current value. Can be read. Here, with respect to the non-selected memory element M, there is always a diode set to a reverse bias voltage between the bit line BL and the source line SL sandwiching the non-selected memory element M. Current does not flow.
他のメモリ素子M(i,j,k)に記憶されているデータを読み出す場合であっても、読み出したいメモリ素子M(i,j,k)に接続されているワード線、ビット線及びソース線に、上述したメモリ素子M(2,1,2)に印加した信号と同様の信号を印加することによってメモリ素子M(i,j,k)に記憶されているデータを読み出すことができる。 Even when data stored in another memory element M (i, j, k) is read, the word line, bit line and source connected to the memory element M (i, j, k) to be read Data stored in the memory element M (i, j, k) can be read by applying a signal similar to the signal applied to the memory element M (2, 1, 2) described above to the line.
本実施形態においては、それぞれのメモリ素子15は、抵抗変化素子、及び抵抗変化素子の一端に接続され、当該抵抗変化素子からソース線へ流れる電流の向きを順方向とするダイオードを有している。このダイオードの接続を反対にした例における選択メモリ素子M(2,1,2)のデータの読み出し動作のワード線WL1〜WL3、ビット線BL1〜BL3、ソース線SL1〜SL3に印加される信号のバイアス条件を図7に示す。図7に示す例においては、図4に示す例におけるビット線BL1〜BL3、ソース線SL1〜SL3に印加する信号の極性を反転させることにより、選択メモリセルMのデータを読み出すことができる。 In the present embodiment, each memory element 15 includes a resistance change element and a diode connected to one end of the resistance change element and having a forward direction of a current flowing from the resistance change element to the source line. . The signals applied to the word lines WL1 to WL3, the bit lines BL1 to BL3, and the source lines SL1 to SL3 in the data read operation of the selected memory element M (2, 1, 2) in the example in which the connection of the diodes is reversed. Bias conditions are shown in FIG. In the example shown in FIG. 7, the data of the selected memory cell M can be read by inverting the polarities of the signals applied to the bit lines BL1 to BL3 and the source lines SL1 to SL3 in the example shown in FIG.
(本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み動作(単極性の書き込み動作(Set動作)))
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1におけるデータの「書き込み動作」について、メモリ素子M(2,1,2)へのデータの書き込み動作を例にとって図5を参照して説明する。なお、ここで説明する本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1におけるデータの書き込み動作時のワード線、ビット線、ソース線等に印加する電圧のバイアス関係は一例であり、これに限定されるわけではない。
(Write Operation of Nonvolatile Semiconductor Memory Device According to This Embodiment (Unipolar Write Operation (Set Operation)))
A data “write operation” in the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 5 by taking a data write operation to the memory element M (2, 1, 2) as an example. . The bias relationship of the voltages applied to the word lines, bit lines, source lines, etc. during the data write operation in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention related to the present embodiment described here is an example, and It is not limited.
まず、データを書き込む選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線WL2にVon(例えば、Von=3V)を印加し、他のワード線WL1及びWL3にVoff(例えば、Voff=0V)を印加する。また、データを書き込む選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線SL2にVSLset(例えば、VSLset=0V)を印加し、他のソース線SL1及びSL3をフローティングにする。そして、データを書き込む選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線BL1にVBLset(例えば、VBLset=0.7V)を印加し、他のビット線BL2及びBL3をフローティングにする。この時、ビット線BL1には電流が流れ、選択メモリ素子M(2,1,2)の抵抗変化素子の抵抗値が、抵抗変化素子に流れる電流量に応じて変化する。このように、選択メモリ素子M(2,1,2)の抵抗値を変化させることにより、選択メモリ素子M(2,1,2)にデータを書き込むことができる。ここで、非選択メモリ素子Mについては、非選択メモリ素子Mを間に挟むビット線BLとソース線SLの間に逆バイアスに電圧設定されたダイオードが必ず存在する為、非選択メモリ素子には電流が流れない。 First, Von (for example, Von = 3 V) is applied to the word line WL2 connected to the selected memory element M (2, 1, 2) to which data is written, and Voff (for example, Voff is applied to the other word lines WL1 and WL3). = 0V). In addition, VSLset (for example, VSLset = 0 V) is applied to the source line SL2 connected to the selected memory element M (2, 1, 2) to which data is written, and the other source lines SL1 and SL3 are floated. Then, VBLset (for example, VBLset = 0.7 V) is applied to the bit line BL1 connected to the selected memory element M (2, 1, 2) to which data is written, and the other bit lines BL2 and BL3 are floated. . At this time, a current flows through the bit line BL1, and the resistance value of the resistance change element of the selected memory element M (2, 1, 2) changes according to the amount of current flowing through the resistance change element. In this way, data can be written to the selected memory element M (2, 1, 2) by changing the resistance value of the selected memory element M (2, 1, 2). Here, as for the non-selected memory element M, there is always a diode set to a reverse bias voltage between the bit line BL and the source line SL sandwiching the non-selected memory element M. Current does not flow.
他のメモリ素子M(i,j,k)にデータを書き込む場合であっても、データを書き込みたいメモリ素子M(i,j,k)に接続されているワード線、ビット線及びソース線に、上述したメモリ素子M(2,1,2)に印加した信号と同様の信号を印加することによってメモリ素子M(i,j,k)にデータを書き込むことができる。 Even when data is written to another memory element M (i, j, k), the word line, bit line, and source line connected to the memory element M (i, j, k) to which data is to be written By applying a signal similar to the signal applied to the memory element M (2, 1, 2) described above, data can be written to the memory element M (i, j, k).
本実施形態においては、それぞれのメモリ素子15は、抵抗変化素子、及び抵抗変化素子の一端に接続され、当該抵抗変化素子からソース線へ流れる電流の向きを順方向とするダイオードを有している。このダイオードの接続を反対にした例における選択メモリ素子M(2,1,2)のデータの書き込み動作のワード線WL1〜WL3、ビット線BL1〜BL3、ソース線SL1〜SL3に印加される信号のバイアス条件を図8に示す。図8に示す例においては、図5に示す例におけるビット線BL1〜BL3、ソース線SL1〜SL3に印加する信号の極性を反転させることにより、選択メモリセルMにデータを書き込むことができる。 In the present embodiment, each memory element 15 includes a resistance change element and a diode connected to one end of the resistance change element and having a forward direction of a current flowing from the resistance change element to the source line. . The signals applied to the word lines WL1 to WL3, the bit lines BL1 to BL3, and the source lines SL1 to SL3 in the data write operation of the selected memory element M (2, 1, 2) in the example in which the connection of the diodes is reversed. The bias condition is shown in FIG. In the example shown in FIG. 8, data can be written to the selected memory cell M by inverting the polarities of the signals applied to the bit lines BL1 to BL3 and the source lines SL1 to SL3 in the example shown in FIG.
(本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の消去動作(単極性の消去動作(Reset動作)))
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1におけるデータの「消去動作」について、図6を用いてメモリ素子M(2,1,2)のデータの消去動作を例にとって説明する。
(Erase Operation of Nonvolatile Semiconductor Memory Device According to This Embodiment (Unipolar Erase Operation (Reset Operation)))
The “erasing operation” of data in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to this embodiment will be described with reference to FIG. 6 by taking the erasing operation of the memory element M (2, 1, 2) as an example.
まず、データを消去する選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線WL2にVon(例えば、Von=3V)を印加し、他のワード線WL1及びWL3にVoff(例えば、Voff=0V)を印加する。また、データを消去する選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線SL2にVSLreset(例えば、VSLreset=0V)を印加し、他のソース線SL1及びSL3をフローティングにする。そして、データを消去する選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線BL1にVBLreset(例えば、VBLreset=1.5V)を印加し、他のビット線BL2及びBL3をフローティングにする。 First, Von (for example, Von = 3 V) is applied to the word line WL2 connected to the selected memory element M (2, 1, 2) for erasing data, and Voff (for example, for example) is applied to the other word lines WL1 and WL3. Voff = 0V) is applied. Further, VSLreset (for example, VSLreset = 0 V) is applied to the source line SL2 connected to the selected memory element M (2, 1, 2) from which data is erased, and the other source lines SL1 and SL3 are brought into a floating state. Then, VBLreset (for example, VBLreset = 1.5V) is applied to the bit line BL1 connected to the selected memory element M (2, 1, 2) for erasing data, and the other bit lines BL2 and BL3 are floated. To do.
このようなバイアス状態を形成することにより、選択メモリ素子M(2,1,2)にデータ書き込み動作の時に流れる電流より大きな電流が流れ、メモリ素子M(2,1,2)の抵抗変化素子の抵抗値が変化し、メモリ素子M(2,1,2)のデータが消去される。データを消去する選択メモリ素子M(2,1,2)においては、メモリ素子M(2,1,2)のダイオードに対して順バイアス状態となるため、選択メモリ素子M(2,1,2)に電流が流れる。一方、非選択メモリ素子Mについては、非選択メモリ素子Mを間に挟むビット線BLとソース線SLの間に逆バイアスに電圧設定されたダイオードが必ず存在する為、非選択メモリ素子には電流が流れない。 By forming such a bias state, a current larger than the current flowing during the data write operation flows to the selected memory element M (2, 1, 2), and the resistance change element of the memory element M (2, 1, 2). The resistance value of the memory device M changes, and the data of the memory element M (2, 1, 2) is erased. The selected memory element M (2, 1, 2) for erasing data is in a forward bias state with respect to the diode of the memory element M (2, 1, 2). ) Current. On the other hand, with respect to the non-selected memory element M, there is always a diode set to a reverse bias voltage between the bit line BL and the source line SL sandwiching the non-selected memory element M. Does not flow.
他のメモリ素子M(i,j,k)のデータを消去する場合であっても、データを消去するメモリ素子M(i,j,k)に接続されているワード線、ビット線及びソース線に、上述したメモリ素子M(2,1,2)に印加した信号と同様の信号を印加することによってメモリ素子M(i,j,k)のデータを消去することができる。 Even when data of other memory elements M (i, j, k) is erased, word lines, bit lines and source lines connected to the memory elements M (i, j, k) for erasing data In addition, the data of the memory element M (i, j, k) can be erased by applying a signal similar to the signal applied to the memory element M (2, 1, 2) described above.
本実施形態においては、それぞれのメモリ素子15は、抵抗変化素子、及び抵抗変化素子の一端に接続され、当該抵抗変化素子からソース線へ流れる電流の向きを順方向とするダイオードを有している。このダイオードの接続を反対にした例における選択メモリ素子M(2,1,2)のデータの消去動作のワード線WL1〜WL3、ビット線BL1〜BL3、ソース線SL1〜SL3に印加される信号のバイアス条件を図9に示す。図9に示す例においては、図6に示す例におけるビット線BL1〜BL3、ソース線SL1〜SL3に印加する信号の極性を反転させることにより、選択メモリセルMからデータを消去することができる。 In the present embodiment, each memory element 15 includes a resistance change element and a diode connected to one end of the resistance change element and having a forward direction of a current flowing from the resistance change element to the source line. . The signals applied to the word lines WL1 to WL3, the bit lines BL1 to BL3, and the source lines SL1 to SL3 in the data erasing operation of the selected memory element M (2, 1, 2) in the example in which the connection of the diodes is reversed. The bias condition is shown in FIG. In the example shown in FIG. 9, data can be erased from the selected memory cell M by inverting the polarities of the signals applied to the bit lines BL1 to BL3 and the source lines SL1 to SL3 in the example shown in FIG.
次に、図10〜図12に本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置の別の例を示す。図10〜図12に示す例においては、メモリ素子部の上下両方に選択トランジスタ、ワード線及びビット線を設けた例である。下部側ワード線WL11〜WL13及び上部側ワード線WL21〜WL23、下部側ビット線BL11〜BL13及び上部側ビット線BL21〜BL23、並びにソース線SL1〜SL3それぞれに接続されたトランジスタをON又はOFFすることによって、下部側ワード線WL11〜WL13及び上部側ワード線WL21〜WL23、下部側ビット線BL11〜BL13及び上部側ビット線BL21〜BL23、並びにソース線SL1〜SL3に信号を印加するようにしている。図10〜図12に示す例においては、データの読み出し、書き込み、消去の際に各メモリ素子M(i,j,k)に印加するバイアス電圧を設定するために、以下の3つの方法がある。
(1)下部側ワード線WL11〜WL13、下部側ビット線BL11〜BL13及びソース線SL1〜SL3を選択する
(2)上部側ワード線WL21〜WL23、上部側ビット線BL21〜BL23及びソース線SL1〜SL3を選択する
(3)下部側ワード線WL11〜WL13及び上部側ワード線WL21〜WL23、下部側ビット線BL11〜BL13及び上部側ビット線BL21〜BL23、並びにソース線SL1〜SL3を選択する
Next, another example of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention according to this embodiment is shown in FIGS. 10 to 12 are examples in which selection transistors, word lines, and bit lines are provided both above and below the memory element portion. The transistors connected to the lower side word lines WL11 to WL13 and the upper side word lines WL21 to WL23, the lower side bit lines BL11 to BL13, the upper side bit lines BL21 to BL23, and the source lines SL1 to SL3 are turned on or off. Thus, signals are applied to the lower word lines WL11 to WL13 and the upper word lines WL21 to WL23, the lower bit lines BL11 to BL13, the upper bit lines BL21 to BL23, and the source lines SL1 to SL3. In the example shown in FIGS. 10 to 12, there are the following three methods for setting the bias voltage applied to each memory element M (i, j, k) at the time of reading, writing, and erasing data. .
(1) Lower word lines WL11 to WL13, lower bit lines BL11 to BL13 and source lines SL1 to SL3 are selected. (2) Upper word lines WL21 to WL23, upper bit lines BL21 to BL23 and source lines SL1 to SL1. Select SL3 (3) Select lower side word lines WL11 to WL13 and upper side word lines WL21 to WL23, lower side bit lines BL11 to BL13 and upper side bit lines BL21 to BL23, and source lines SL1 to SL3
図10に示す例においてはメモリ素子M(2,1,2)のデータを読み出す場合のバイアス関係を示している。図11に示す例においてはメモリ素子M(2,1,2)にデータを書き込む場合のバイアス関係を示している。図12に示す例においてはメモリ素子M(2,1,2)のデータを消去する場合のバイアス関係を示している。なお、ここで説明する本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1におけるデータの読み出し動作時のワード線、ビット線、ソース線等に印加する電圧のバイアス関係は一例であり、これに限定されるわけではない。これら図10〜図12に示す本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置の「読み出し動作」、「書き込み動作」及び「消去動作」は、それぞれ、上述の実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1の「読み出し動作」、「書き込み動作」及び「消去動作」と同様であるので、ここでは、改めて説明しない。 The example shown in FIG. 10 shows a bias relationship when reading data from the memory element M (2, 1, 2). The example shown in FIG. 11 shows a bias relationship when data is written to the memory element M (2, 1, 2). The example shown in FIG. 12 shows a bias relationship when erasing data in the memory element M (2, 1, 2). The bias relationship of the voltages applied to the word lines, bit lines, source lines, etc. during the data read operation in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention related to this embodiment described here is an example, and It is not limited. The “read operation”, “write operation”, and “erase operation” of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment shown in FIGS. 10 to 12 are the same as those of the first embodiment described above, respectively. Since this is the same as the “read operation”, “write operation”, and “erase operation” of the nonvolatile semiconductor memory device 1, it will not be described again here.
なお、図10〜図12に示す例においては、それぞれのメモリ素子15は、抵抗変化素子、及び抵抗変化素子の一端に接続され、当該抵抗変化素子からソース線へ流れる電流の向きを順方向とするダイオードを有している。上述したように、このダイオードの接続を反対にするようにしてもよい。 10 to 12, each memory element 15 is connected to the resistance change element and one end of the resistance change element, and the direction of the current flowing from the resistance change element to the source line is defined as the forward direction. Have a diode. As described above, this diode connection may be reversed.
(実施形態1に係る単極性動作の不揮発性半導体記憶装置の製造プロセス)
(OxRRAM:Oxide Resistive RAM)
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1の製造プロセスについて、以下図13〜図37を参照しながら説明する。なお、図13〜図37においては、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3の一部が示されている。図13(C)〜図37(C)は、メモリ素子領域3の上面図である。図13(A)〜図37(A)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図13(C)〜図37(C)に示すA−A’の断面に相当する図である。図13(B)〜図37(B)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図13(C)〜図37(C)に示すB−B’の断面に相当する図である。また、図13(A)〜図37(A)及び図13(C)〜図37(C)において、破線で示す右側の部分は、後述するメッキ処理用の配線部分を示している。なお、ここで説明する本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3の製造プロセスは、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3の製造プロセスの一例に過ぎず、これに限定されるわけではない。
(Manufacturing Process of Nonvolatile Semiconductor Memory Device with Unipolar Operation According to Embodiment 1)
(OxRRAM: Oxide Resistive RAM)
A manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS. 13 to 37 show a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to this embodiment. FIG. 13C to FIG. 37C are top views of the memory element region 3. FIGS. 13A to 37A are cross-sectional views of the memory element region 3, and correspond to the cross section AA ′ shown in FIGS. 13C to 37C. FIGS. 13B to 37B are cross-sectional views of the memory element region 3 and correspond to the cross-section BB ′ shown in FIGS. 13C to 37C. Further, in FIGS. 13A to 37A and FIGS. 13C to 37C, the right portion indicated by a broken line indicates a wiring portion for plating processing to be described later. The manufacturing process of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment described here is the same as that of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment. It is only an example of a manufacturing process and is not limited to this.
図13に示すとおり、シリコン基板100上に絶縁膜102を形成する。シリコン基板の替わりに、ポリシリコンや金属膜を形成したガラス基板や石英基板等を用いてもよい。本実施形態においては、絶縁膜102としてプラズマCVD法による酸化珪素膜(SiO2)を用いる。また、絶縁膜102として、窒化珪素膜(SixNy)等を用いてもよい。次に、金属層104を形成する(図13)。本実施形態においては、金属層104としてスパッタリング法によってタングステン(W)を形成する。 As shown in FIG. 13, an insulating film 102 is formed on the silicon substrate 100. Instead of a silicon substrate, a glass substrate or a quartz substrate on which polysilicon or a metal film is formed may be used. In the present embodiment, a silicon oxide film (SiO 2 ) formed by plasma CVD is used as the insulating film 102. Further, a silicon nitride film (SixNy) or the like may be used as the insulating film 102. Next, the metal layer 104 is formed (FIG. 13). In this embodiment, tungsten (W) is formed as the metal layer 104 by a sputtering method.
次に、レジストマスクを形成し(図示せず)、ドライエッチングを行うことにより金属層104及び絶縁膜102をパターンニングし、102a及び104aからなるパターン、102b及び104bからなるパターン、102c及び104cからなるパターン、並びに102d及び104dからなるパターンを形成する(図14)。104a、104b、104c及び104dは、ビット線BLとなる。 Next, a resist mask is formed (not shown), and dry etching is performed to pattern the metal layer 104 and the insulating film 102 to form a pattern composed of 102a and 104a, a pattern composed of 102b and 104b, and a pattern composed of 102c and 104c. And a pattern consisting of 102d and 104d is formed (FIG. 14). 104a, 104b, 104c and 104d become the bit lines BL.
次に、層間絶縁膜106を形成し、平坦化することによって、層間絶縁膜106a、106b、106c及び106dを形成する(図15)。本実施形態においては、層間絶縁膜106には、プラズマCVD法による酸化珪素膜(SiO2)を用いる。プラズマCVD法によって酸化珪素膜(SiO2)を形成する場合には、TEOS(テトラエトキシシラン)を用いてもよい。層間絶縁膜106の平坦化には、例えばCMP(Chemical mechanical Polishing)法を用いる。 Next, an interlayer insulating film 106 is formed and planarized to form interlayer insulating films 106a, 106b, 106c, and 106d (FIG. 15). In this embodiment, a silicon oxide film (SiO 2 ) formed by a plasma CVD method is used for the interlayer insulating film 106. When a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed by a plasma CVD method, TEOS (tetraethoxysilane) may be used. For the planarization of the interlayer insulating film 106, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method is used.
次に、後にホールを形成する際のエッチングストッパー膜として窒化珪素膜108、絶縁膜として酸化珪素膜110、不純物が添加された導電性のポリシリコン膜112、絶縁膜として酸化珪素膜114を順に形成する(図16)。本実施形態においては、ポリシリコン膜112として、p型のポリシリコン膜112を形成する。 Next, a silicon nitride film 108 as an etching stopper film when holes are formed later, a silicon oxide film 110 as an insulating film, a conductive polysilicon film 112 doped with impurities, and a silicon oxide film 114 as an insulating film are formed in this order. (FIG. 16). In this embodiment, a p-type polysilicon film 112 is formed as the polysilicon film 112.
次に、レジストマスクを形成し(図示せず)、酸化珪素膜114、ポリシリコン膜112、酸化珪素膜110及び窒化珪素膜108をドライエッチングすることにより、ホール116a〜116hを形成する(図17)。本実施形態においては、円柱状のホール116a〜116hを形成するようにしたが、これに限定されるわけではなく、角柱状、楕円柱状等種々の形状のホールを形成するようにしてもよい。 Next, a resist mask is formed (not shown), and the silicon oxide film 114, the polysilicon film 112, the silicon oxide film 110, and the silicon nitride film 108 are dry etched to form holes 116a to 116h (FIG. 17). ). In the present embodiment, the cylindrical holes 116a to 116h are formed. However, the present invention is not limited to this, and holes having various shapes such as a prismatic shape and an elliptical cylindrical shape may be formed.
次に、絶縁膜118として酸化珪素膜118を形成する(図18)。この酸化珪素膜118の一部は、縦型トランジスタ20のゲート絶縁膜となる。 Next, a silicon oxide film 118 is formed as the insulating film 118 (FIG. 18). A part of the silicon oxide film 118 becomes a gate insulating film of the vertical transistor 20.
次に、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法によって、酸化珪素膜118の一部を金属層104a〜104dの表面が露出するまでエッチングし、酸化珪素膜118a〜118hを形成する(図19)。 Next, a part of the silicon oxide film 118 is etched by reactive ion etching (RIE) method until the surfaces of the metal layers 104a to 104d are exposed to form silicon oxide films 118a to 118h (FIG. 19).
次に、不純物が添加された導電性ポリシリコン膜120を形成し、平坦化することによって、ポリシリコン膜120a〜120hを形成する(図20)。本実施形態においては、ポリシリコン膜120a〜120hとして、n型のポリシリコン膜を形成する。平坦化には、CMP法を用いてもよいし、エッチバック法を用いてもよい。ポリシリコン膜120a〜120hは、後に、縦型トランジスタ20のチャネル形成領域となる。 Next, a conductive polysilicon film 120 to which impurities are added is formed and planarized to form polysilicon films 120a to 120h (FIG. 20). In the present embodiment, n-type polysilicon films are formed as the polysilicon films 120a to 120h. For planarization, a CMP method or an etch back method may be used. The polysilicon films 120 a to 120 h later become channel formation regions of the vertical transistor 20.
次に、レジストマスクを形成し(図示せず)、絶縁膜110、ポリシリコン膜112及び絶縁膜114の一部をエッチングすることにより(122a及び122b)、パターンニングされたポリシリコン膜124a〜124cを形成する(図21)。パターンニングされたポリシリコン膜124a〜124cは、後に、ワード線WLとなる。 Next, a resist mask is formed (not shown), and parts of the insulating film 110, the polysilicon film 112, and the insulating film 114 are etched (122a and 122b), thereby patterning the polysilicon films 124a to 124c. (FIG. 21). The patterned polysilicon films 124a to 124c will later become word lines WL.
次に、層間絶縁膜126を形成し、平坦化することによって、層間絶縁膜126a及び126bを形成する(図22)。本実施形態においては、層間絶縁膜126には、プラズマCVD法による酸化珪素膜(SiO2)を用いる。プラズマCVD法によって酸化珪素膜(SiO2)を形成する場合には、TEOSを用いてもよい。層間絶縁膜126の平坦化には、例えばCMP法を用いる。 Next, an interlayer insulating film 126 is formed and planarized to form interlayer insulating films 126a and 126b (FIG. 22). In the present embodiment, a silicon oxide film (SiO 2 ) formed by plasma CVD is used for the interlayer insulating film 126. When a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed by a plasma CVD method, TEOS may be used. For example, a CMP method is used to planarize the interlayer insulating film 126.
次に、後にホールを形成する際のエッチングストッパー膜として窒化珪素膜128を形成する(図23)。そして、絶縁膜として酸化珪素膜とn型の不純物を添加した導電性のポリシリコン膜とを交互に形成し、酸化珪素膜130、n型ポリシリコン膜132、酸化珪素膜134、n型ポリシリコン膜136、酸化珪素膜138、n型ポリシリコン膜140、酸化珪素膜142、n型ポリシリコン膜144、及び酸化珪素膜146を形成する(図23)。なお、n型ポリシリコン膜132、n型ポリシリコン膜136、n型ポリシリコン膜140、n型ポリシリコン膜144の代わりに、n型のアモルファスシリコン膜を形成するようにしてもよい。 Next, a silicon nitride film 128 is formed as an etching stopper film when holes are formed later (FIG. 23). Then, a silicon oxide film and a conductive polysilicon film doped with n-type impurities are alternately formed as an insulating film, and a silicon oxide film 130, an n-type polysilicon film 132, a silicon oxide film 134, and an n-type polysilicon are formed. A film 136, a silicon oxide film 138, an n-type polysilicon film 140, a silicon oxide film 142, an n-type polysilicon film 144, and a silicon oxide film 146 are formed (FIG. 23). Note that an n-type amorphous silicon film may be formed instead of the n-type polysilicon film 132, the n-type polysilicon film 136, the n-type polysilicon film 140, and the n-type polysilicon film 144.
次に、レジストマスクを形成し(図示せず)、基板100までエッチングすることにより、溝148を形成する(図24)。 Next, a resist mask is formed (not shown), and the groove 148 is formed by etching up to the substrate 100 (FIG. 24).
次に、n型の不純物を添加した導電性のポリシリコン膜150を形成する(図25)。 Next, a conductive polysilicon film 150 to which an n-type impurity is added is formed (FIG. 25).
次に、反応性イオンエッチング法によって、n型ポリシリコン膜150の一部を基板100の表面が露出するまでエッチングし、n型ポリシリコン膜150aを形成する(図26)。溝148に形成されるn型ポリシリコン膜150aは、メモリ素子形成時のメッキ用配線となる。 Next, a part of the n-type polysilicon film 150 is etched by a reactive ion etching method until the surface of the substrate 100 is exposed to form an n-type polysilicon film 150a (FIG. 26). The n-type polysilicon film 150a formed in the trench 148 serves as a plating wiring when forming the memory element.
次に、層間絶縁膜152を形成し、平坦化する(図27)。本実施形態においては、層間絶縁膜152には、プラズマCVD法による酸化珪素膜(SiO2)を用いる。プラズマCVD法によって酸化珪素膜(SiO2)を形成する場合には、TEOSを用いてもよい。層間絶縁膜152の平坦化には、CMP法を用いてもよいし、エッチバック法を用いてもよい。 Next, an interlayer insulating film 152 is formed and planarized (FIG. 27). In the present embodiment, a silicon oxide film (SiO 2 ) formed by a plasma CVD method is used for the interlayer insulating film 152. When a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed by a plasma CVD method, TEOS may be used. For planarization of the interlayer insulating film 152, a CMP method or an etch back method may be used.
次に、レジストマスクを形成し(図示せず)、酸化珪素膜130、134、138、142及び146並びにn型ポリシリコン膜132、136、140及び144の一部をエッチングすることにより、ホール154a〜154hを形成する(図28)。このとき、窒化珪素膜128がエッチングストッパー膜として機能する。なお、本実施形態においては、円柱状のホール154a〜154hを形成するようにしたが、これに限定されるわけではなく、角柱状、楕円柱状等種々の形状のホールを形成するようにしてもよい。 Next, a resist mask is formed (not shown), and portions of the silicon oxide films 130, 134, 138, 142, and 146 and the n-type polysilicon films 132, 136, 140, and 144 are etched to form holes 154a. ~ 154h are formed (FIG. 28). At this time, the silicon nitride film 128 functions as an etching stopper film. In the present embodiment, the cylindrical holes 154a to 154h are formed. However, the present invention is not limited to this, and various shapes such as a prismatic shape and an elliptical shape may be formed. Good.
次に、例えば等方的なドライエッチングを行うことにより、ホール154a〜154hの側面のn型ポリシリコン132,136、140及び144を後退させ、n型ポリシリコン132a,136a、140a及び144aを形成する(図29)。 Next, by performing isotropic dry etching, for example, the n-type polysilicons 132, 136, 140, and 144 on the side surfaces of the holes 154a to 154h are retracted to form the n-type polysilicons 132a, 136a, 140a, and 144a. (FIG. 29).
次に、p型不純物を含んだガス雰囲気で基板100を高温処理することにより、p型不純物を132a,136a、140a及び144aさせ、浅いp型拡散領域156a〜156tを形成する(図30)。これら浅いp型拡散領域156a〜156tとn型ポリシリコン132a,136a、140a及び144aとが、それぞれ、PN接合を形成し、ダイオードを構成する。 Next, the substrate 100 is processed at a high temperature in a gas atmosphere containing p-type impurities to cause the p-type impurities 132a, 136a, 140a, and 144a to form shallow p-type diffusion regions 156a to 156t (FIG. 30). These shallow p-type diffusion regions 156a to 156t and n-type polysilicons 132a, 136a, 140a, and 144a form PN junctions to form a diode.
次に、浅いp型拡散領域156a〜156tの表面をプラチナ(Pt)でシリサイド化することにより、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tを形成する(図31)。 Next, the surface of the shallow p-type diffusion regions 156a to 156t is silicided with platinum (Pt) to form platinum silicide (PtSi) 158a to 158t (FIG. 31).
次に、基板100を一方の電極とし、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tを他方の電極とし、電界メッキ法によりプラチナ(Pt)をプラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面に形成する(図32)。電界メッキ法を用いる場合は、メッキ溶液との間で電子のやり取りを行う電極となる部分に金属が堆積する。ここでは、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tがメッキ溶液との間で電子のやり取りを行う電極となり、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面にプラチナ(Pt)が形成される。基板100を電極とするには、基板100の裏側やbevel部に電流を流せばよい。このとき、図32の矢印(current path)で示すとおり、基板100からn型ポリシリコン層150aを介してプラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tへ電流が流れる。なお、本実施形態においては、電界メッキ法によって、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面にプラチナ(Pt)でなる電極保護膜を形成したが、無電界メッキ法によって、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面に電極を形成するようにしてもよい。無電界メッキ法によれば、基板100からプラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tへ電流を流すためのn型ポリシリコン層150aのような配線が不要となる。 Next, the substrate 100 is one electrode, platinum silicide (PtSi) 158a to 158t is the other electrode, and platinum (Pt) is formed on the surface of the platinum silicide (PtSi) 158a to 158t by electroplating (FIG. 32). ). When the electroplating method is used, a metal is deposited on a portion that becomes an electrode for exchanging electrons with the plating solution. Here, platinum silicide (PtSi) 158a to 158t serves as an electrode for exchanging electrons with the plating solution, and platinum (Pt) is formed on the surface of platinum silicide (PtSi) 158a to 158t. In order to use the substrate 100 as an electrode, a current may be supplied to the back side or the bevel portion of the substrate 100. At this time, as indicated by an arrow (current path) in FIG. 32, a current flows from the substrate 100 to the platinum silicide (PtSi) 158a to 158t through the n-type polysilicon layer 150a. In this embodiment, an electrode protection film made of platinum (Pt) is formed on the surface of platinum silicide (PtSi) 158a to 158t by electroplating, but platinum silicide (PtSi) 158a is formed by electroless plating. An electrode may be formed on the surface of ˜158 t. According to the electroless plating method, wiring such as the n-type polysilicon layer 150a for passing a current from the substrate 100 to the platinum silicide (PtSi) 158a to 158t becomes unnecessary.
次に、基板100全面に遷移金属層を形成し、遷移金属層を酸化することにより、酸化遷移金属層160を形成する(図33)。本実施形態においては、酸化遷移金属層160として、酸化ニッケル(NiO)を用いる。酸化遷移金属層160としては、NiO、MnO、Cr2O3、Mn2O3、Fe2O3、Al2O3、CuO2、TiO2、ZrO2、ZnO等を用いてもよい。 Next, a transition metal layer is formed on the entire surface of the substrate 100, and the transition metal layer is oxidized to form an oxidized transition metal layer 160 (FIG. 33). In this embodiment, nickel oxide (NiO) is used as the oxide transition metal layer 160. The transition metal oxide layer 160, NiO, MnO, Cr 2 O 3, Mn 2 O 3, Fe 2 O 3, Al 2 O 3, CuO 2, TiO 2, may be used ZrO 2, ZnO and the like.
次に、反応性イオンエッチングにより、酸化遷移金属層160の一部及び窒化珪素膜128の一部をエッチング除去し、ホール162a〜162hを形成する(図34)。 Next, by reactive ion etching, a part of the oxide transition metal layer 160 and a part of the silicon nitride film 128 are removed by etching to form holes 162a to 162h (FIG. 34).
次に、金属層としてプラチナ層163を形成する(図35)。その後、ホール162a〜162hを埋めるように窒化チタン(TiN)層164を形成する(図35)。金属層として、プラチナ以外に、ReO3、IrO2、OsO2、RhO2、NMoO2、RuO2、TiN等を用いてもよい。また、窒化チタン層164の替わりに、W等を用いてもよい。その後、プラチナ層163及び窒化チタン層164に対しCMPやエッチバック等による平坦化処理を行い、酸化珪素膜146の表面を露出させる。 Next, a platinum layer 163 is formed as a metal layer (FIG. 35). Thereafter, a titanium nitride (TiN) layer 164 is formed so as to fill the holes 162a to 162h (FIG. 35). In addition to platinum, ReO 3 , IrO 2 , OsO 2 , RhO 2 , NMoO 2 , RuO 2 , TiN, or the like may be used as the metal layer. Further, W or the like may be used instead of the titanium nitride layer 164. Thereafter, the platinum layer 163 and the titanium nitride layer 164 are planarized by CMP, etch back, or the like, so that the surface of the silicon oxide film 146 is exposed.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3の完成時に、ポリシリコン層150aが残っていると全てのソース線が導通してしまう。よって、レジストマスクを形成し(図示せず)、図36(A)のDで示す部分をエッチング除去する(図36)。この工程によって、電界メッキ法によって、電極保護膜を形成するために用いた配線(ポリシリコン層150a)を除去し、ソース線をそれぞれ電気的に絶縁する。 When the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to this embodiment is completed, if the polysilicon layer 150a remains, all the source lines become conductive. Therefore, a resist mask is formed (not shown), and a portion indicated by D in FIG. 36A is removed by etching (FIG. 36). Through this step, the wiring (polysilicon layer 150a) used to form the electrode protective film is removed by electroplating, and the source lines are electrically insulated from each other.
その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3が完成する(図1)。 Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment is completed (FIG. 1).
また、図35で示す工程後、レジストマスクを形成し(図示せず)、図37(A)のEで示す部分をエッチング除去し、ソース線をそれぞれ電気的に絶縁するようにしてもよい(図37)。この場合、メッキ用の配線(ポリシリコン層150a)部は残存することになる。その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3が完成する(図38)。 In addition, after the step shown in FIG. 35, a resist mask may be formed (not shown), and a portion indicated by E in FIG. 37A may be removed by etching so that the source lines are electrically insulated from each other ( FIG. 37). In this case, the wiring (polysilicon layer 150a) for plating remains. Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment is completed (FIG. 38).
(実施形態2)
(双極性動作の不揮発性半導体記憶装置1)
(OxRRAM:Oxide Resistive RAM)
本実施形態2に係る不揮発性半導体記憶装置1は、メモリ素子15に流れる電流の向きが双方向である。ここでは、メモリ素子15に流れる電流の向きが双方向である本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1を「双極性動作の不揮発性半導体記憶装置」という場合がある。
(Embodiment 2)
(Nonvolatile semiconductor memory device 1 with bipolar operation)
(OxRRAM: Oxide Resistive RAM)
In the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the second embodiment, the direction of the current flowing through the memory element 15 is bidirectional. Here, the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment in which the direction of the current flowing through the memory element 15 is bidirectional may be referred to as a “bipolar operation nonvolatile semiconductor memory device”.
本実施形態2に係る不揮発性半導体記憶装置1は、メモリ素子15が金属酸化物を有する抵抗変化素子を有しているOxRRAM(Oxide Resistive RAM)を例にとって説明する。なお、本実施形態2に係る不揮発性半導体記憶装置1と実施形態1に係る不揮発性半導体記憶装置1とは、同様の構造を有しているので、ここでは、改めて説明しない。しかし、本実施形態2に係る不揮発性半導体記憶装置1においては、メモリ素子15に流れる電流の向きが双方向であり、ワード線WL、ビット線BL、ソース線SLに印加される信号のバイアス条件が異なる。 The nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the second embodiment will be described taking an example of an OxRRAM (Oxide Resistive RAM) in which the memory element 15 includes a resistance change element having a metal oxide. Since the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the second embodiment and the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the first embodiment have the same structure, they will not be described again here. However, in the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the second embodiment, the direction of the current flowing through the memory element 15 is bidirectional, and the bias condition of the signal applied to the word line WL, the bit line BL, and the source line SL Is different.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1における「消去動作」について図39を参照しながら説明する。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1における「読み出し動作」及び「書き込み動作」は、上述の実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1(単極性動作の不揮発性半導体記憶装置)の「読み出し動作」及び「書き込み動作」と同様であるので、ここでは、改めて説明しない。 The “erase operation” in the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The “read operation” and “write operation” in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention related to the present embodiment are the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention related to the first embodiment described above (the unipolar operation nonvolatile semiconductor device). This is the same as the “read operation” and “write operation” of the storage device, and will not be described again here.
図39に示すとおり、実施形態1と同様、本実施形態2に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1における「読み出し動作」、「書き込み動作」及び「消去動作」を説明するにあたり、説明の便宜上、3本のビット線BL1〜BL3、3本のワード線WL1〜WL3及び3本のソース線SL1〜SL3によって選択される27個のメモリ素子15からなるメモリ素子領域3を例に採って説明する。ここでは、27個のメモリ素子15をM(i,j,k)で示している。図39に示す本実施形態2においては、それぞれのメモリ素子15は、抵抗変化素子、及び抵抗変化素子の一端に接続され、当該抵抗変化素子からソース線へ流れる電流の向きを順方向とするダイオードを有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子、抵抗変化素子とダイオード15とが直列に接続されている。なお、図40に示すとおり、このダイオードの接続を反対にしてもよい。 As shown in FIG. 39, as in the first embodiment, the “read operation”, “write operation”, and “erase operation” in the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the second embodiment will be described for convenience of explanation. A memory element region 3 composed of 27 memory elements 15 selected by three bit lines BL1 to BL3, three word lines WL1 to WL3 and three source lines SL1 to SL3 will be described as an example. . Here, 27 memory elements 15 are indicated by M (i, j, k). In the second embodiment shown in FIG. 39, each memory element 15 is connected to a resistance change element and one end of the resistance change element, and a diode whose forward direction is the direction of current flowing from the resistance change element to the source line. have. The memory element, the resistance change element, and the diode 15 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment are connected in series. As shown in FIG. 40, this diode connection may be reversed.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1におけるメモリ素子のパラメータは、以下のとおりと仮定していが、これに限定されるわけではない。
書き込み電圧V_set=0.5V
消去電圧V_reset=−0.5V
ダイオードのブレイクダウン電圧VBD=1V
The parameters of the memory element in the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment are assumed to be as follows, but are not limited thereto.
Write voltage V_set = 0.5V
Erase voltage V_reset = -0.5V
Diode breakdown voltage VBD = 1V
(本実施形態に係る双極性動作の不揮発性半導体記憶装置の消去動作)
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1におけるデータの「消去動作」について、メモリ素子M(2,1,2)のデータの消去動作を例にとって説明する。
(Erase Operation of Bipolar Operation Nonvolatile Semiconductor Memory Device According to the Present Embodiment)
The “erasing operation” of data in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to the present embodiment will be described taking the data erasing operation of the memory element M (2, 1, 2) as an example.
本実施形態2に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1においては、メモリ素子Mは、抵抗変化素子に流れる電流の向きが変化する両極性のメモリ素子Mである。両極性のメモリ素子Mのデータを消去するためには、データを消去する選択メモリ素子Mに接続されているダイオードに逆方向の電流を流す必要がある。つまり、選択メモリ素子Mに接続されているダイオードをブレイクダウン(降伏)させる必要がある。また、このとき、選択メモリ素子M以外の非選択メモリ素子Mから選択ビット線BLへの電流の回り込みを防ぐために、非選択メモリ素子Mのダイオードには、電流が流れないようにしなければならない。つまり、非選択メモリ素子Mのダイオードに逆バイアスの電圧が印加されていても、ブレイクダウンしないようなバイアス条件を設定しなければならない。このバイアス条件を実現するため、ワード線WL1〜WL3、ビット線BL1〜BL3及びソース線SL1〜SL3には、例えば、次のように電圧を印加する。 In the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the second embodiment of the present invention, the memory element M is a bipolar memory element M in which the direction of the current flowing through the resistance change element changes. In order to erase the data in the bipolar memory element M, it is necessary to pass a current in the reverse direction through a diode connected to the selected memory element M from which data is erased. That is, it is necessary to breakdown the diode connected to the selected memory element M. At this time, in order to prevent current from flowing from the non-selected memory element M other than the selected memory element M to the selected bit line BL, it is necessary to prevent current from flowing through the diode of the non-selected memory element M. That is, even if a reverse bias voltage is applied to the diode of the non-selected memory element M, it is necessary to set a bias condition that does not cause breakdown. In order to realize this bias condition, for example, voltages are applied to the word lines WL1 to WL3, the bit lines BL1 to BL3, and the source lines SL1 to SL3 as follows.
まず、データを消去する選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線WL2にVon(例えば、Von=3V)を印加し、他のワード線WL1及びWL3にVoff(例えば、Voff=0V)を印加する。また、選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線SL2にVSLreset1(例えば、VSLreset1=1.2V)を印加し、他のソース線SL1及びSL3にVSLreset2(例えば、VSLreset2=0.6V。)を印加する。そして、選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線BL1にVBLreset(例えば、VBLreset=0V。)を印加し、他のビット線BL2及びBL3をフローティングにする。このとき、選択メモリ素子及び非選択メモリ素子Mのブレイクダウン電圧をVBD(例えば、VBD=1Vと仮定する)であるとする。 First, Von (for example, Von = 3 V) is applied to the word line WL2 connected to the selected memory element M (2, 1, 2) for erasing data, and Voff (for example, for example) is applied to the other word lines WL1 and WL3. Voff = 0V) is applied. Further, VSLreset1 (for example, VSLreset1 = 1.2 V) is applied to the source line SL2 connected to the selected memory element M (2, 1, 2), and VSLreset2 (for example, VSLreset2 = 0.6V.) Is applied. Then, VBLreset (for example, VBLreset = 0 V) is applied to the bit line BL1 connected to the selected memory element M (2, 1, 2), and the other bit lines BL2 and BL3 are made floating. At this time, it is assumed that the breakdown voltage of the selected memory element and the non-selected memory element M is VBD (for example, assuming that VBD = 1V).
このようなバイアス状態を形成することにより、選択メモリ素子M(2,1,2)にデータ書き込み動作の時に流れる電流より大きな電流が流れ、メモリ素子M(2,1,2)の抵抗変化素子の抵抗値が変化し、メモリ素子M(2,1,2)のデータが消去される。データを消去する選択メモリ素子M(2,1,2)においては、メモリ素子M(2,1,2)のダイオードに対して逆バイアス状態となるが、ダイオードにブレイクダウン電圧以上の電圧が印加されるため、選択メモリ素子M(2,1,2)に電流が流れる。一方、非選択メモリ素子M(i,j,k)においては、非選択メモリ素子M(i,j,k)のダイオードに対して逆バイアス状態となるが、選択メモリ素子とは異なり、印加される電圧がブレイクダウン電圧以下ため、非選択メモリ素子M(i,j,k)には電流は流れない。 By forming such a bias state, a current larger than the current flowing during the data write operation flows to the selected memory element M (2, 1, 2), and the resistance change element of the memory element M (2, 1, 2). The resistance value of the memory device M changes, and the data of the memory element M (2, 1, 2) is erased. In the selected memory element M (2, 1, 2) for erasing data, a reverse bias state is applied to the diode of the memory element M (2, 1, 2), but a voltage higher than the breakdown voltage is applied to the diode. Therefore, a current flows through the selected memory element M (2, 1, 2). On the other hand, the non-selected memory element M (i, j, k) is reverse-biased with respect to the diode of the non-selected memory element M (i, j, k). Current does not flow through the breakdown voltage, so that no current flows through the non-selected memory element M (i, j, k).
他のメモリ素子M(i,j,k)のデータを消去する場合であっても、データを消去するメモリ素子M(i,j,k)に接続されているワード線、ビット線及びソース線に、上述したメモリ素子M(2,1,2)に印加した信号と同様の信号を印加することによってメモリ素子M(i,j,k)のデータを消去することができる。 Even when data of other memory elements M (i, j, k) is erased, word lines, bit lines and source lines connected to the memory elements M (i, j, k) for erasing data In addition, the data of the memory element M (i, j, k) can be erased by applying a signal similar to the signal applied to the memory element M (2, 1, 2) described above.
本実施形態においては、それぞれのメモリ素子15は、抵抗変化素子、及び抵抗変化素子の一端に接続され、当該抵抗変化素子からソース線へ流れる電流の向きを順方向とするダイオードを有している。このダイオードの接続を反対にした例における選択メモリ素子M(2,1,2)のデータの消去動作のワード線WL1〜WL3、ビット線BL1〜BL3、ソース線SL1〜SL3に印加される信号のバイアス条件を図40に示す。図40に示す例においては、図39に示す例におけるビット線BL1〜BL3、ソース線SL1〜SL3に印加する信号の極性を反転させることにより、選択メモリセルMからデータを消去することができる。 In the present embodiment, each memory element 15 includes a resistance change element and a diode connected to one end of the resistance change element and having a forward direction of a current flowing from the resistance change element to the source line. . The signals applied to the word lines WL1 to WL3, the bit lines BL1 to BL3, and the source lines SL1 to SL3 in the data erasing operation of the selected memory element M (2, 1, 2) in the example in which the connection of the diodes is reversed. The bias conditions are shown in FIG. In the example shown in FIG. 40, data can be erased from the selected memory cell M by inverting the polarities of the signals applied to the bit lines BL1 to BL3 and the source lines SL1 to SL3 in the example shown in FIG.
なお、本実施形態に係る本発明の双極性動作の不揮発性半導体記憶装置においても、図10〜図12に示したように、メモリ素子部の上下両方に選択トランジスタ、ワード線及びビット線を設けるようにしてもよい。 In the bipolar operation nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment of the present invention as well, as shown in FIGS. 10 to 12, select transistors, word lines, and bit lines are provided above and below the memory element portion. You may do it.
(実施形態3)
(単極性動作の不揮発性半導体記憶装置の製造プロセス)
(OxRRAM:Oxide Resistive RAM)
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1の別の製造プロセスについて、以下図41〜図48を参照しながら説明する。本実施形態においては、メモリ素子15を構成する抵抗変化素子を形成する際に、抵抗変化素子を構成する窒化チタン(TiN)シリサイドの表面を酸化する。また、本実施形態においては、実施形態1で説明したようなメッキプロセスを必要としないので、メッキ配線を形成する必要がない。
(Embodiment 3)
(Manufacturing process of unipolar non-volatile semiconductor memory device)
(OxRRAM: Oxide Resistive RAM)
Another manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment will be described below with reference to FIGS. In the present embodiment, when the variable resistance element constituting the memory element 15 is formed, the surface of titanium nitride (TiN) silicide constituting the variable resistance element is oxidized. Further, in the present embodiment, since the plating process as described in the first embodiment is not required, it is not necessary to form a plated wiring.
図41〜図48においては、実施形態1と同様、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3の一部が示されている。図41(C)〜図48(C)は、メモリ素子領域3の上面図である。図41(A)〜図48(A)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図41(C)〜図48(C)に示すA−A’の断面に相当する図である。図41(B)〜図48(B)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図41(C)〜図48(C)に示すB−B’の断面に相当する図である。なお、ここで説明する本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3の製造プロセスは、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3の製造プロセスの一例に過ぎず、これに限定されるわけではない。 41 to 48 show a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the present embodiment as in the first embodiment. FIG. 41C to FIG. 48C are top views of the memory element region 3. 41A to FIG. 48A are cross-sectional views of the memory element region 3, and correspond to the cross-section A-A ′ shown in FIG. 41C to FIG. FIGS. 41B to 48B are cross-sectional views of the memory element region 3 and correspond to the cross-section B-B ′ shown in FIGS. 41C to 48C. The manufacturing process of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment described here is the same as that of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment. It is only an example of a manufacturing process and is not limited to this.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1の製造プロセスは、実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1の製造プロセスと同様な部分については、ここでは再度の説明を省略する。 Regarding the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to the present embodiment, the description of the same part as the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to the first embodiment is omitted here. To do.
実施形態1の図28に示す工程と同様、レジストマスクを形成し(図示せず)、酸化珪素膜130、134、138、142及び146並びにn型ポリシリコン膜132、136、140及び144の一部をエッチングすることにより、ホール154a〜154hを形成する。本実施形態においては、円柱状のホール154a〜154hを形成するようにしたが、これに限定されるわけではなく、角柱状、楕円柱状等種々の形状のホールを形成するようにしてもよい。 Similar to the process shown in FIG. 28 of the first embodiment, a resist mask is formed (not shown), and one of the silicon oxide films 130, 134, 138, 142, and 146 and the n-type polysilicon films 132, 136, 140, and 144 is formed. The holes 154a to 154h are formed by etching the part. In the present embodiment, the cylindrical holes 154a to 154h are formed. However, the present invention is not limited to this, and holes having various shapes such as a prismatic shape and an elliptical cylindrical shape may be formed.
次に、図41に示すとおり、例えば等方的なドライエッチングを行うことにより、ホール154a〜154hの側面のn型ポリシリコン132、136、140及び144を後退させ、n型ポリシリコン132a、136a、140a及び144aを形成する(図41)。 Next, as shown in FIG. 41, for example, by performing isotropic dry etching, the n-type polysilicons 132, 136, 140, and 144 on the side surfaces of the holes 154a to 154h are retracted, and the n-type polysilicons 132a, 136a are retreated. , 140a and 144a are formed (FIG. 41).
次に、p型不純物を含んだガス雰囲気で基板100を高温処理することにより、n型ポリシリコン132a、136a、140a及び144aにp型不純物を拡散させ、浅いp型拡散領域156a〜156tを形成する(図42)。これら浅いp型拡散領域156a〜156tとn型ポリシリコン132a、136a、140a及び144aとが、それぞれ、PN接合を形成し、ダイオードを構成する。 Next, the substrate 100 is processed at a high temperature in a gas atmosphere containing p-type impurities to diffuse the p-type impurities into the n-type polysilicons 132a, 136a, 140a, and 144a, thereby forming shallow p-type diffusion regions 156a to 156t. (FIG. 42). These shallow p-type diffusion regions 156a to 156t and n-type polysilicons 132a, 136a, 140a, and 144a form PN junctions to form diodes.
次に、浅いp型拡散領域156a〜156tの表面に窒化チタン(TiN)158a〜158tを形成する(図43)。その後、加熱処理を行うことにより、窒化チタン158a〜158tをシリサイド化し、窒化チタンシリサイド(TiNSi)158a〜158tを形成する(図43)。 Next, titanium nitride (TiN) 158a to 158t is formed on the surfaces of the shallow p-type diffusion regions 156a to 156t (FIG. 43). Thereafter, by performing heat treatment, the titanium nitrides 158a to 158t are silicided to form titanium nitride silicides (TiNSi) 158a to 158t (FIG. 43).
次に、基板全体を酸素雰囲気化で加熱することにより、窒化チタンシリサイド158a〜158tの表面を酸化し、酸化チタン層159a〜159tを形成する(図44)。 Next, the entire substrate is heated in an oxygen atmosphere to oxidize the surfaces of the titanium nitride silicides 158a to 158t to form titanium oxide layers 159a to 159t (FIG. 44).
次に、メモリ素子の保護膜として遷移金属層160を形成する(図46)。本実施形態においては、このメモリ素子の保護膜としては、プラチナ(Pt)を用いたが、プラチナ以外には、ReO3、IrO2、OsO2、RhO2、NMoO2、RuO2、TiN等を用いることができる。 Next, a transition metal layer 160 is formed as a protective film of the memory element (FIG. 46). In this embodiment, platinum (Pt) is used as the protective film of the memory element. However, other than platinum, ReO 3 , IrO 2 , OsO 2 , RhO 2 , NMoO 2 , RuO 2 , TiN, and the like are used. Can be used.
次に、反応性イオンエッチングにより、遷移金属層160の一部及び窒化珪素膜128の一部をエッチング除去し、ホール162a〜162hを形成する(図46)。 Next, a part of the transition metal layer 160 and a part of the silicon nitride film 128 are removed by reactive ion etching to form holes 162a to 162h (FIG. 46).
次に、ホール162a〜162hを埋めるように窒化チタン(TiN)層164を形成する(図47)。窒化チタン層164の替わりに、W等を用いてもよい。 Next, a titanium nitride (TiN) layer 164 is formed so as to fill the holes 162a to 162h (FIG. 47). Instead of the titanium nitride layer 164, W or the like may be used.
次に、窒化チタン層164をCMPやエッチバック法を用いて平坦化する(図48)。 Next, the titanium nitride layer 164 is planarized using CMP or an etch back method (FIG. 48).
その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3が完成する(図1)。 Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment is completed (FIG. 1).
本実施形態における本発明の不揮発性半導体記憶装置1の製造工程によると、実施形態1で用いたようなメッキプロセスが不要であるので、より簡略な製造方法によって本発明の不揮発性半導体記憶装置1を製造することができる。 According to the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention in the present embodiment, the plating process as used in the first embodiment is not necessary, and therefore the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention can be performed by a simpler manufacturing method. Can be manufactured.
(実施形態4)
(PRAM:Phase Change RAM)
本実施形態4においては、単極性動作の本発明の不揮発性半導体記憶装置の例として、GST(GeSbTe)等の相変化膜を用いた相変化型の不揮発性半導体記憶装置(PRAM:Phase Change RAM)について説明する。
(Embodiment 4)
(PRAM: Phase Change RAM)
In the fourth embodiment, as an example of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention that operates unipolarly, a phase change nonvolatile semiconductor memory device (PRAM: Phase Change RAM) using a phase change film such as GST (GeSbTe) is used. ).
本実施形態4に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200の概略構成図を図49に示す。本実施形態4に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200は、メモリ素子領域3、複数のビット線5、ビット線駆動回路7、複数のソース線9、複数のワード線11、ワード線駆動回路13等を有している。実施形態4に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200のメッキ用配線部17は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200を製造する際に行うメッキプロセスの後に切除された部分を示している。図49に示すように、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200においては、メモリ素子領域3を構成するメモリ素子15は、半導体層を複数積層することによって形成されている。 FIG. 49 shows a schematic configuration diagram of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to Embodiment 4 of the present invention. The nonvolatile semiconductor memory device 200 according to the fourth embodiment includes a memory element region 3, a plurality of bit lines 5, a bit line driving circuit 7, a plurality of source lines 9, a plurality of word lines 11, and a word line driving circuit. 13 etc. The wiring part 17 for plating of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to the fourth embodiment of the present invention shows a portion removed after the plating process performed when manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to the present embodiment. Yes. As shown in FIG. 49, in the nonvolatile semiconductor memory device 200 of the present invention according to this embodiment, the memory element 15 constituting the memory element region 3 is formed by stacking a plurality of semiconductor layers.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200は、メモリ素子領域3の構成以外は、上述の実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1と同様である。よって、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200の各構成要素については、改めて説明しない場合がある。 The nonvolatile semiconductor memory device 200 of the present invention according to the present embodiment is the same as the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to the first embodiment described above, except for the configuration of the memory element region 3. Therefore, each component of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to the present embodiment may not be described again.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200は、各メモリ素子15がGST(GeSbTe)等の相変化膜を有している。相変化膜は、それに流れる電流によって結晶状態が変化し、その抵抗値が変化する膜である。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200においては、各メモリ素子15に電流を流すことにより相変化膜の結晶状態を変化させ、メモリ素子15の抵抗値を変化させる。このメモリ素子15の抵抗値の変化を利用して情報を記憶するようにしている。 In the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment, each memory element 15 has a phase change film such as GST (GeSbTe). The phase change film is a film in which the crystal state is changed by the current flowing therethrough and the resistance value thereof is changed. In the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to the present embodiment, a current is passed through each memory element 15 to change the crystal state of the phase change film and change the resistance value of the memory element 15. Information is stored by utilizing the change in the resistance value of the memory element 15.
図50(A)、(B)及び(C)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子領域3の一部の概略構成図である。図50(C)は、メモリ素子領域3の上面図である。図50(C)においては、図2と同様、説明の便宜上、一部は、その上部構造が剥離されて示されている。図50(A)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図50(C)に示すA−A’の断面に相当する図である。図50(B)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図50(C)に示すB−B’の断面に相当する図である。図50に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子領域3は、縦方向に積層された複数のメモリ素子15a〜15dを有するメモリ素子ストリングス28がマトリクス状に配列した構成を有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子領域3においては、最小加工寸法をFとすると、メモリ素子15のA−A’方向の長さは3Fであり、且つ、B−B’方向の長さは2Fであるので、1つのメモリストリングスがn個のメモリ素子15を有する場合(n個のメモリ素子が積層されている場合)、メモリ素子15の面積は6F2/nとなる。 50A, 50B, and 50C are schematic configuration diagrams of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment. FIG. 50C is a top view of the memory element region 3. In FIG. 50C, like FIG. 2, for convenience of explanation, a part of the upper structure is shown separated. FIG. 50A is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line AA ′ shown in FIG. FIG. 50B is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line BB ′ shown in FIG. As shown in FIG. 50, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment has a configuration in which memory element strings 28 having a plurality of memory elements 15a to 15d stacked in the vertical direction are arranged in a matrix. have. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to the present embodiment, when the minimum processing dimension is F, the length of the memory element 15 in the AA ′ direction is 3F, and BB ′. Since the length in the direction is 2F, when one memory string has n memory elements 15 (when n memory elements are stacked), the area of the memory element 15 is 6F 2 / n. .
図51(A)は、図50(A)と同様、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子領域3の一部の断面図である。図51(D)は、メモリ素子15の部分拡大図であり、図51(E)は、メモリ素子15の等価回路図である。図51(F)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200の一部の等価回路である。図51(A)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子領域3は、縦型トランジスタ20を有している。縦型トランジスタ20の上に複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15a〜15dが積層されている。本実施形態においても、縦型トランジスタ20の上に積層された複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15a〜15dからなる構成をメモリ素子ストリングス28という。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子領域3は、図49に示すとおり、10×20=200個のメモリ素子ストリングス28を有している。 FIG. 51A is a cross-sectional view of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment, similarly to FIG. FIG. 51D is a partially enlarged view of the memory element 15, and FIG. 51E is an equivalent circuit diagram of the memory element 15. FIG. 51F is a partial equivalent circuit of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment. As shown in FIG. 51A, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment includes a vertical transistor 20. A plurality (four in this embodiment) of memory elements 15 a to 15 d are stacked on the vertical transistor 20. Also in the present embodiment, a configuration including a plurality of (four in the present embodiment) memory elements 15 a to 15 d stacked on the vertical transistor 20 is referred to as a memory element string 28. The memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment has 10 × 20 = 200 memory element strings 28 as shown in FIG.
本実施形態においては、メモリストリングス28は、メモリ素子15a〜15dを有している。メモリ素子15aは、金属層212a、GST層210a、金属シリサイド層158a、浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aを有している。メモリ素子15bは、金属層212a、GST層210a、金属シリサイド層158b、浅いp型ポリシリコン層156b及びn型ポリシリコン層144bを有している。メモリ素子15cは、金属層212a、GST層210a、金属シリサイド層158c、浅いp型ポリシリコン層156c及びn型ポリシリコン層144cを有している。メモリ素子15dは、金属層212a、GST層210a、金属シリサイド層158d、浅いp型ポリシリコン層156d及びn型ポリシリコン層144dを有している。 In the present embodiment, the memory string 28 includes memory elements 15a to 15d. The memory element 15a includes a metal layer 212a, a GST layer 210a, a metal silicide layer 158a, a shallow p-type polysilicon layer 156a, and an n-type polysilicon layer 144a. The memory element 15b includes a metal layer 212a, a GST layer 210a, a metal silicide layer 158b, a shallow p-type polysilicon layer 156b, and an n-type polysilicon layer 144b. The memory element 15c includes a metal layer 212a, a GST layer 210a, a metal silicide layer 158c, a shallow p-type polysilicon layer 156c, and an n-type polysilicon layer 144c. The memory element 15d includes a metal layer 212a, a GST layer 210a, a metal silicide layer 158d, a shallow p-type polysilicon layer 156d, and an n-type polysilicon layer 144d.
メモリストリングス28を構成する各メモリ素子15a〜15dは、共通した金属層212aを有しており、この金属層212aによって、各メモリ素子15a〜15dの一端がそれぞれ電気的に接続されている。また、n型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dは、それぞれ、ソース線9を構成し、それぞれ板状に形成されている。本実施形態係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子領域3においては、全てのメモリストリングス28は、n型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dを共通に有している。 The memory elements 15a to 15d constituting the memory string 28 have a common metal layer 212a, and one end of each of the memory elements 15a to 15d is electrically connected to the metal layer 212a. The n-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d constitute the source line 9 and are each formed in a plate shape. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment, all memory strings 28 have n-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d in common.
図51(D)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子15aは、金属層212a、相変化膜であるGST層a及び金属シリサイド層158aでなる抵抗変化素子15a1、並びに、抵抗変化素子15a1の一端に接続された、浅いp型ポリシリコン膜156a及びn型ポリシリコン膜144aでなるダイオード15a2を有している。他の実施形態と同様、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子15aは、抵抗変化素子15a1とダイオード15a2とが直列に接続されている。なお、メモリ素子15aが抵抗変化素子15a1からなり、抵抗変化素子15a1からなるメモリ素子15aの一端にダイオード15a2が接続されていると考えてもよい。他のメモリ素子15b〜15dもメモリ素子15aと同様の構成を有している。なお、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子15aにおいては、抵抗変化素子15a1からソース線SLに向かう方向を順方向としたダイオード15a2を有するようにしているが、このダイオード15a2の向きが反対になるように浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aを形成するようにしてもよい。 As shown in FIG. 51D, the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment includes a resistance change element 15a1 including a metal layer 212a, a GST layer a that is a phase change film, and a metal silicide layer 158a. In addition, a diode 15a2 composed of a shallow p-type polysilicon film 156a and an n-type polysilicon film 144a connected to one end of the variable resistance element 15a1 is provided. As in the other embodiments, in the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment, the resistance change element 15a1 and the diode 15a2 are connected in series. It may be considered that the memory element 15a is composed of the resistance change element 15a1, and the diode 15a2 is connected to one end of the memory element 15a composed of the resistance change element 15a1. The other memory elements 15b to 15d have the same configuration as the memory element 15a. Note that the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment includes the diode 15a2 whose forward direction is from the resistance change element 15a1 toward the source line SL. The shallow p-type polysilicon layer 156a and n-type polysilicon layer 144a may be formed so that the directions are opposite.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200においては、実施形態1と同様、メモリ素子15の一端は、ソース線選択トランジスタ26を介してソース線9(SL)に接続されている。上述したとおり、ソース線9は、それぞれ同一層からなる板状の平面構造を有している。また、メモリ素子15の他端は、縦型トランジスタ20を介してビット線5(BL)に接続されている。ビット線5(BL)の一端には、ビット線選択トランジスタ24が接続されている。このビット線選択トランジスタ24によって、ビット線5(BL)に信号が印加される。ワード線11(WL)は、縦型トランジスタ20のゲートに接続されている。ワード線選択トランジスタ22によって、ワード線11(WL)に信号が印加される。 In the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment, one end of the memory element 15 is connected to the source line 9 (SL) via the source line selection transistor 26 as in the first embodiment. As described above, each source line 9 has a plate-like planar structure made of the same layer. The other end of the memory element 15 is connected to the bit line 5 (BL) via the vertical transistor 20. A bit line selection transistor 24 is connected to one end of the bit line 5 (BL). A signal is applied to the bit line 5 (BL) by the bit line selection transistor 24. The word line 11 (WL) is connected to the gate of the vertical transistor 20. A signal is applied to the word line 11 (WL) by the word line selection transistor 22.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200においては、実施形態1と同様、図51に示すとおり、縦方向に積層された複数のメモリ素子15の一端がそれぞれ接続されており、縦型トランジスタ20を介してワード線11(WL)に接続されている。 In the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to the present embodiment, as in the first embodiment, as shown in FIG. 51, one ends of the plurality of memory elements 15 stacked in the vertical direction are connected to each other, and the vertical transistor 20 Is connected to the word line 11 (WL).
図50及び図51においては、1つのメモリ素子ストリングス28について説明したが、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200においては、全てのメモリストリングス28が同様の構成を有している。また、メモリストリングス28の数及びメモリストリングス28を構成するメモリ素子15の数は、メモリ容量に応じて任意の数に適宜変更することが可能である。 50 and 51, one memory element string 28 has been described. However, in the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment, all the memory strings 28 have the same configuration. Further, the number of the memory strings 28 and the number of the memory elements 15 constituting the memory strings 28 can be appropriately changed to any number according to the memory capacity.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200は、単極性動作の不揮発性半導体記憶装置である。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200におけるデータの読み出し動作、書き込み動作、消去動作は、実施形態1で説明した動作と同様であるので、ここでは改めて説明しない。以下、本実施形態にかかる本発明の不揮発性半導体記憶装置200において、実施形態1と同様、メモリ素子Mのパラメータの例と、メモリ素子M(2,1,2)を選択する場合のワード線WL1〜WL3、ソース線SL1〜SL3、ビット線BL1〜BL3に印加する電圧の例を示す。
(メモリ素子のパラメータ)
書き込み電圧V_set=0.5V
消去電圧V_reset=1V
ダイオードのブレイクダウン電圧VBD=2V
(読み出し動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLread=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLread=0.2V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
(書き込み動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLset=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLset=0.7V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
(消去動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLset=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLset=1.5V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
The nonvolatile semiconductor memory device 200 of the present invention according to the present embodiment is a unipolar operation nonvolatile semiconductor memory device. Since the data read operation, write operation, and erase operation in the nonvolatile semiconductor memory device 200 of the present invention according to this embodiment are the same as those described in the first embodiment, they will not be described again here. Hereinafter, in the nonvolatile semiconductor memory device 200 of the present invention according to the present embodiment, as in the first embodiment, examples of parameters of the memory element M and word lines when the memory element M (2, 1, 2) is selected Examples of voltages applied to WL1 to WL3, source lines SL1 to SL3, and bit lines BL1 to BL3 are shown.
(Memory element parameters)
Write voltage V_set = 0.5V
Erase voltage V_reset = 1V
Diode breakdown voltage VBD = 2V
(During read operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLread = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLread = 0 .2V
Bit line potentials other than bit lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): floating (during write operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLset = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLset = 0 .7V
Bit line potentials other than bit lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): floating (during erase operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLset = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLset = 1 .5V
Bit line potential other than bit line connected to selected memory element M (2, 1, 2): floating
以下、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200の製造プロセスについて説明する。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200の製造プロセスにおいては、実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1の製造プロセスと同様な部分については、ここでは再度の説明を省略する。 Hereinafter, a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to the present embodiment will be described. In the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 200 of the present invention according to this embodiment, the same parts as those of the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to Embodiment 1 will be described again here. Omitted.
実施形態1の図25に示す工程と同様、レジストマスクを形成し(図示せず)、酸化珪素膜130、134、138、142及び146並びにn型ポリシリコン膜132、136、140及び144の一部をエッチングすることにより、ホール154a〜154hを形成する。本実施形態においても、円柱状のホール154a〜154hを形成するようにしたが、これに限定されるわけではなく、角柱状、楕円柱状等種々の形状のホールを形成するようにしてもよい。 Similar to the process shown in FIG. 25 of the first embodiment, a resist mask is formed (not shown), and one of the silicon oxide films 130, 134, 138, 142, and 146 and the n-type polysilicon films 132, 136, 140, and 144 is formed. The holes 154a to 154h are formed by etching the part. Also in the present embodiment, the cylindrical holes 154a to 154h are formed. However, the present invention is not limited to this, and holes having various shapes such as a prismatic shape and an elliptical column shape may be formed.
次に、実施形態1の図26に示す工程と同様、フッ酸等を用いたウェットエッチングを行うことにより、ホール154a〜154hの側面のn型ポリシリコン132、136、140及び144を後退させ、n型ポリシリコン132a、136a、140a及び144aを形成する。 Next, similarly to the process shown in FIG. 26 of the first embodiment, by performing wet etching using hydrofluoric acid or the like, the n-type polysilicons 132, 136, 140, and 144 on the side surfaces of the holes 154a to 154h are retracted, N-type polysilicon 132a, 136a, 140a, and 144a are formed.
次に、実施形態1の図27に示す工程と同様、その後、p型不純物を含んだガス雰囲気で基板100を高温処理することにより、p型不純物をn型ポリシリコン132a、136a、140a及び144aに拡散させ、浅いp型拡散領域156a〜156tを形成する。これら浅いp型拡散領域156a〜156tとn型ポリシリコン132a、136a、140a及び144aとが、それぞれ、PN接合を形成し、ダイオードを構成する。 Next, similarly to the process shown in FIG. 27 of the first embodiment, the substrate 100 is then subjected to high-temperature treatment in a gas atmosphere containing p-type impurities, thereby removing the p-type impurities into n-type polysilicon 132a, 136a, 140a, and 144a. Then, shallow p-type diffusion regions 156a to 156t are formed. These shallow p-type diffusion regions 156a to 156t and n-type polysilicons 132a, 136a, 140a, and 144a form PN junctions to form diodes.
次に、浅いp型拡散領域156a〜156tの表面をプラチナ(Pt)でシリサイド化することにより、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tを形成する(図52)。 Next, the surface of the shallow p-type diffusion regions 156a to 156t is silicided with platinum (Pt) to form platinum silicide (PtSi) 158a to 158t (FIG. 52).
次に、実施形態1の図32において説明した電界メッキ法と同様、基板100を一方の電極とし、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tを他方の電極とし、電界メッキ法によりプラチナ(Pt)をプラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面に形成する(図52)。ここでは、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tがメッキ溶液との間で電子のやり取りを行う電極となり、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面にプラチナ(Pt)が形成される。なお、本実施形態においては、電界メッキ法によって、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面にプラチナ(Pt)でなる電極を形成したが、無電界メッキ法によって、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面に電極を形成するようにしてもよい。実施形態1でも説明したとおり、無電界メッキ法によれば、基板100からプラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tへ電流を流すためのn型ポリシリコン層150aのような配線が不要となる。 Next, similarly to the electroplating method described in FIG. 32 of the first embodiment, the substrate 100 is used as one electrode, platinum silicide (PtSi) 158a to 158t is used as the other electrode, and platinum (Pt) is converted into platinum by the electroplating method. It is formed on the surface of silicide (PtSi) 158a to 158t (FIG. 52). Here, platinum silicide (PtSi) 158a to 158t serves as an electrode for exchanging electrons with the plating solution, and platinum (Pt) is formed on the surface of platinum silicide (PtSi) 158a to 158t. In this embodiment, electrodes made of platinum (Pt) are formed on the surfaces of platinum silicides (PtSi) 158a to 158t by electroplating, but platinum silicides (PtSi) 158a to 158t are formed by electroless plating. An electrode may be formed on the surface. As described in the first embodiment, the electroless plating method eliminates the need for wiring such as the n-type polysilicon layer 150a for flowing a current from the substrate 100 to the platinum silicide (PtSi) 158a to 158t.
次に、基板100全面に相変化膜210を形成する(図53)。本実施形態においては、相変化膜210としてGST(GeSbTe)膜を用いる。なお、相変化膜210としては、GSTの他、GeTe、Ag-In-Sb-Te、Tb-Sb-Te-Ge等を用いることができる。 Next, a phase change film 210 is formed on the entire surface of the substrate 100 (FIG. 53). In the present embodiment, a GST (GeSbTe) film is used as the phase change film 210. As the phase change film 210, GeTe, Ag—In—Sb—Te, Tb—Sb—Te—Ge, or the like can be used in addition to GST.
次に、反応性イオンエッチングにより、相変化膜210の一部及び窒化珪素膜128の一部をエッチング除去することにより、相変化膜210a〜210eを形成する(図54)。 Next, part of phase change film 210 and part of silicon nitride film 128 are removed by reactive ion etching to form phase change films 210a to 210e (FIG. 54).
次に、相変化膜210a〜210eによって囲われたホールを埋めるように窒化チタン(TiN)層を形成し、CMPやエッチバック法を用いて平坦化することによって、窒化チタン層212a〜212eを形成する(図55)。 Next, a titanium nitride (TiN) layer is formed so as to fill the holes surrounded by the phase change films 210a to 210e, and planarized using CMP or an etch back method to form titanium nitride layers 212a to 212e. (FIG. 55).
次に、レジストマスクを形成し(図示せず)、図56(A)のGで示す部分をエッチング除去する(図56)。この工程によって、電界メッキ法によって、電極保護膜を形成するために用いた配線(ポリシリコン層150a)を除去し、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tをそれぞれ電気的に絶縁する。その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子領域3が完成する(図49)。 Next, a resist mask is formed (not shown), and the portion indicated by G in FIG. 56A is removed by etching (FIG. 56). Through this step, the wiring (polysilicon layer 150a) used to form the electrode protection film is removed by electroplating, and the platinum silicides (PtSi) 158a to 158t are electrically insulated from each other. Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to this embodiment is completed (FIG. 49).
また、図55で示す工程後、レジストマスクを形成し(図示せず)、図57(A)のHで示す部分をエッチング除去し、ソース線をそれぞれ電気的に絶縁するようにしてもよい(図57)。その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子領域3が完成する。 Further, after the step shown in FIG. 55, a resist mask may be formed (not shown), and a portion indicated by H in FIG. 57A may be removed by etching so that the source lines are electrically insulated from each other ( FIG. 57). Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to the present embodiment is completed.
(実施形態5)
(MRAM:Magnetic RAM)
本実施形態5においては、双極性動作の本発明の不揮発性半導体記憶装置の例として、CoFe等の強磁性体層を用いた不揮発性半導体記憶装置(MRAM:magnetic RAM)について説明する。
(Embodiment 5)
(MRAM: Magnetic RAM)
In Embodiment 5, a non-volatile semiconductor memory device (MRAM: magnetic RAM) using a ferromagnetic layer such as CoFe will be described as an example of the non-volatile semiconductor memory device of the present invention having bipolar operation.
本実施形態5に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置300は、メモリ素子領域3の構成以外は、上述の実施形態1又は実施形態4に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200と同様である。よって、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置300の各構成要素については、改めて説明しない場合がある。 The nonvolatile semiconductor memory device 300 of the present invention according to the fifth embodiment is the same as the nonvolatile semiconductor memory device 200 of the present invention according to the first or fourth embodiment described above, except for the configuration of the memory element region 3. . Therefore, each component of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to the present embodiment may not be described again.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300は、各メモリ素子15が絶縁体を挟んで一対のCoFe等の強磁性体層(膜)を有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300においては、各メモリ素子15において、一対の強磁性体層のうち一方の層の磁化の向きは一定で、他方の磁化の向きを強磁性体材料から放出されたSpin偏曲した電子によって変えることができるようになっている。一方の強磁性体層の磁化の向きが変化することにより、各メモリ素子15を構成する強磁性体層の電気抵抗値が磁化の向きによって変化する。このメモリ素子15の電気抵抗値の変化を利用して情報を記憶するようにしている。 In the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to the present embodiment, each memory element 15 has a pair of ferromagnetic layers (films) such as CoFe with an insulator interposed therebetween. In the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment, in each memory element 15, the magnetization direction of one layer of the pair of ferromagnetic layers is constant, and the magnetization direction of the other is changed from the ferromagnetic material. It can be changed by the emitted spin-biased electrons. As the magnetization direction of one ferromagnetic layer changes, the electrical resistance value of the ferromagnetic layer constituting each memory element 15 changes depending on the magnetization direction. Information is stored using the change in the electrical resistance value of the memory element 15.
図58(A)、(B)及び(C)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子領域3の一部の概略構成図である。図58(C)は、メモリ素子領域3の上面図である。図58(C)においては、図2と同様、説明の便宜上、一部は、その上部構造が剥離されて示されている。図58(A)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図58(C)に示すA−A’の断面に相当する図である。図58(B)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図58(C)に示すB−B’の断面に相当する図である。図58に示すとおり、上述の実施形態1乃至4と同様、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子領域3は、縦方向に積層された複数のメモリ素子15a〜15dを有するメモリ素子ストリングス28がマトリクス状に配列した構成を有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子領域3においては、最小加工寸法をFとすると、メモリ素子15のA−A’方向の長さは3Fであり、且つ、B−B’方向の長さは2Fであるので、1つのメモリストリングスがn個のメモリ素子15を有する場合(n個のメモリ素子が積層されている場合)、メモリ素子15の面積は6F2/nとなる。 58A, 58B, and 58C are schematic configuration diagrams of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment. FIG. 58C is a top view of the memory element region 3. In FIG. 58C, as in FIG. 2, for convenience of explanation, a part of the upper structure is shown separated. 58A is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line AA ′ shown in FIG. 58C. FIG. 58B is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line BB ′ shown in FIG. As shown in FIG. 58, as in the first to fourth embodiments described above, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment includes a plurality of memory elements 15a to 15d stacked in the vertical direction. The element strings 28 are arranged in a matrix. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment, when the minimum processing dimension is F, the length of the memory element 15 in the AA ′ direction is 3F, and BB ′. Since the length in the direction is 2F, when one memory string has n memory elements 15 (when n memory elements are stacked), the area of the memory element 15 is 6F 2 / n. .
図59(A)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子領域3の一部の断面図である。図59(D)は、メモリ素子15の部分拡大図であり、図59(E)は、メモリ素子15の等価回路図である。図59(F)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300の一部の等価回路である。図59(A)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子領域3は、縦型トランジスタ20を有している。縦型トランジスタ20の上に複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15a〜15dが積層されている。本実施形態においても、縦型トランジスタ20の上に積層された複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15a〜15dからなる構成をメモリ素子ストリングス28という。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子領域3は、図49に示すとおり、10×20=200個のメモリ素子ストリングス28を有している。 FIG. 59A is a partial cross-sectional view of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment. FIG. 59D is a partially enlarged view of the memory element 15, and FIG. 59E is an equivalent circuit diagram of the memory element 15. FIG. 59F is an equivalent circuit of a part of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment. As shown in FIG. 59A, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment includes a vertical transistor 20. A plurality (four in this embodiment) of memory elements 15 a to 15 d are stacked on the vertical transistor 20. Also in this embodiment, a configuration including a plurality (four in this embodiment) of memory elements 15 a to 15 d stacked on the vertical transistor 20 is referred to as a memory element string 28. The memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to the present embodiment has 10 × 20 = 200 memory element strings 28 as shown in FIG.
本実施形態においては、メモリストリングス28は、メモリ素子15a〜15dを有している。メモリ素子15aは、強磁性体層186a、酸化金属層184a、強磁性体層182a、金属シリサイド層158a、浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aを有している。メモリ素子15bは、強磁性体層186a、酸化金属層184b、強磁性体層182b、金属シリサイド層158b、浅いp型ポリシリコン層156b及びn型ポリシリコン層144bを有している。メモリ素子15cは、強磁性体層186a、酸化金属層184c、強磁性体層182c、金属シリサイド層158c、浅いp型ポリシリコン層156c及びn型ポリシリコン層144cを有している。メモリ素子15dは、強磁性体層186a、酸化金属層184d、強磁性体層182d、金属シリサイド層158d、浅いp型ポリシリコン層156d及びn型ポリシリコン層144dを有している。 In the present embodiment, the memory string 28 includes memory elements 15a to 15d. The memory element 15a includes a ferromagnetic layer 186a, a metal oxide layer 184a, a ferromagnetic layer 182a, a metal silicide layer 158a, a shallow p-type polysilicon layer 156a, and an n-type polysilicon layer 144a. The memory element 15b includes a ferromagnetic layer 186a, a metal oxide layer 184b, a ferromagnetic layer 182b, a metal silicide layer 158b, a shallow p-type polysilicon layer 156b, and an n-type polysilicon layer 144b. The memory element 15c includes a ferromagnetic layer 186a, a metal oxide layer 184c, a ferromagnetic layer 182c, a metal silicide layer 158c, a shallow p-type polysilicon layer 156c, and an n-type polysilicon layer 144c. The memory element 15d includes a ferromagnetic layer 186a, a metal oxide layer 184d, a ferromagnetic layer 182d, a metal silicide layer 158d, a shallow p-type polysilicon layer 156d, and an n-type polysilicon layer 144d.
メモリストリングス28を構成する各メモリ素子15a〜15dは、共通した強磁性体層186aを有している。また、各メモリ素子15a〜15dは、金属層190aによって電気的に接続されている。n型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dは、それぞれ、ソース線9を構成し、それぞれ板状に形成されている。本実施形態係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子領域3においては、全てのメモリストリングス28は、n型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dを共通に有している。 The memory elements 15a to 15d constituting the memory string 28 have a common ferromagnetic layer 186a. The memory elements 15a to 15d are electrically connected by a metal layer 190a. The n-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d constitute the source line 9 and are each formed in a plate shape. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment, all the memory strings 28 have n-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d in common.
図59(D)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子15aは、強磁性体層186a、スピンフィルター184a及び強磁性体層182aでなる抵抗変化素子15a1、並びに、抵抗変化素子15a1の一端に接続された、浅いp型ポリシリコン膜156a及びn型ポリシリコン膜144aでなるダイオード15a2を有している。他の実施形態と同様、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子15は、抵抗変化素子15a1とダイオード15a2とが直列に接続されている。なお、メモリ素子15aが抵抗変化素子15a1からなり、抵抗変化素子15a1からなるメモリ素子15aの一端にダイオード15a2が接続されていると考えてもよい。他のメモリ素子15b〜15dもメモリ素子15aと同様の構成を有している。なお、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子15aにおいては、抵抗変化素子15a1からソース線SLに向かう方向を順方向としたダイオード15a2を有するようにしているが、このダイオード15a2の向きが反対になるように浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aを形成するようにしてもよい。 As shown in FIG. 59D, the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment includes a resistance change element 15a1 including a ferromagnetic layer 186a, a spin filter 184a, and a ferromagnetic layer 182a, and A diode 15a2 composed of a shallow p-type polysilicon film 156a and an n-type polysilicon film 144a is connected to one end of the resistance change element 15a1. As in the other embodiments, in the memory element 15 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment, the resistance change element 15a1 and the diode 15a2 are connected in series. It may be considered that the memory element 15a is composed of the resistance change element 15a1, and the diode 15a2 is connected to one end of the memory element 15a composed of the resistance change element 15a1. The other memory elements 15b to 15d have the same configuration as the memory element 15a. Note that the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to the present embodiment includes the diode 15a2 whose forward direction is the direction from the resistance change element 15a1 toward the source line SL. The shallow p-type polysilicon layer 156a and n-type polysilicon layer 144a may be formed so that the directions are opposite.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300においては、実施形態1と同様、メモリ素子15の一端は、ソース線選択トランジスタ26を介してソース線9(SL)に接続されている。上述したとおり、ソース線9は、それぞれ同一層からなる平面構造を有しており、板状の平面構造を有している。また、メモリ素子15の他端は、縦型トランジスタ20を介してビット線5(BL)に接続されている。ビット線5(BL)の一端には、ビット線選択トランジスタ24が接続されている。このビット線選択トランジスタ24によって、ビット線5(BL)に信号が印加される。ワード線11(WL)は、縦型トランジスタ20のゲートに接続されている。ワード線選択トランジスタ22によって、ワード線11(WL)に信号が印加される。 In the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment, one end of the memory element 15 is connected to the source line 9 (SL) via the source line selection transistor 26 as in the first embodiment. As described above, each source line 9 has a planar structure composed of the same layer, and has a plate-like planar structure. The other end of the memory element 15 is connected to the bit line 5 (BL) via the vertical transistor 20. A bit line selection transistor 24 is connected to one end of the bit line 5 (BL). A signal is applied to the bit line 5 (BL) by the bit line selection transistor 24. The word line 11 (WL) is connected to the gate of the vertical transistor 20. A signal is applied to the word line 11 (WL) by the word line selection transistor 22.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300においては、実施形態1と同様、図59に示すとおり、縦方向に積層された複数のメモリ素子15の一端がそれぞれ接続されており、縦型トランジスタ20を介してワード線11(WL)に接続されている。 In the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to the present embodiment, as in the first embodiment, as shown in FIG. 59, one ends of the plurality of memory elements 15 stacked in the vertical direction are connected to each other, and the vertical transistor 20 Is connected to the word line 11 (WL).
図58及び図59においては、1つのメモリ素子ストリングス28について説明したが、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300においては、全てのメモリストリングス28が同様の構成を有している。また、メモリストリングス28の数及びメモリストリングス28を構成するメモリ素子15の数は、メモリ容量に応じて任意の数に適宜変更することが可能である。 58 and 59, one memory element string 28 has been described. However, in the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to this embodiment, all the memory strings 28 have the same configuration. Further, the number of the memory strings 28 and the number of the memory elements 15 constituting the memory strings 28 can be appropriately changed to any number according to the memory capacity.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置300は、双極性動作の不揮発性半導体記憶装置である。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置300におけるデータの読み出し動作、書き込み動作、消去動作は、実施形態2で説明した動作と同様であるので、ここでは改めて説明しない。以下、本実施形態にかかる本発明の不揮発性半導体記憶装置300において、実施形態2と同様、メモリ素子Mのパラメータの例と、メモリ素子M(2,1,2)を選択する場合のワード線WL1〜WL3、ソース線SL1〜SL3、ビット線BL1〜BL3に印加する電圧の例を示す。
(メモリ素子のパラメータ)
書き込み電圧V_set=1V
消去電圧V_reset=−1V
ダイオードのブレイクダウン電圧VBD=2V
(読み出し動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLread=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLread=0.2V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
(書き込み動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLset=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLset=1.2V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
(消去動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLset=2.5V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:1.5V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLset=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
The nonvolatile semiconductor memory device 300 of the present invention according to this embodiment is a bipolar semiconductor nonvolatile semiconductor memory device. Since the data read operation, write operation, and erase operation in the nonvolatile semiconductor memory device 300 of the present invention according to this embodiment are the same as those described in the second embodiment, they will not be described again here. Hereinafter, in the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to the present embodiment, as in the second embodiment, examples of parameters of the memory element M and word lines when the memory element M (2, 1, 2) is selected Examples of voltages applied to WL1 to WL3, source lines SL1 to SL3, and bit lines BL1 to BL3 are shown.
(Memory element parameters)
Write voltage V_set = 1V
Erase voltage V_reset = -1V
Diode breakdown voltage VBD = 2V
(During read operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLread = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLread = 0 .2V
Bit line potentials other than bit lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): floating (during write operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLset = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLset = 1 .2V
Bit line potentials other than bit lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): floating (during erase operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLset = 2.5V
Potentials of source lines other than the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): 1.5V
The potential of the bit line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VBLset = 0V
Bit line potential other than bit line connected to selected memory element M (2, 1, 2): floating
以下、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置300の製造プロセスについて説明する。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置300の製造プロセスにおいては、実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1又は実施形態4に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200の製造プロセスと同様な部分については、ここでは再度の説明を省略する。 Hereinafter, a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to the present embodiment will be described. In the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 300 of the present invention according to the present embodiment, the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to the first embodiment or the nonvolatile semiconductor memory device 200 of the present invention according to the fourth embodiment. The description of the same part as the manufacturing process is omitted here.
実施形態1の図25に示す工程と同様、レジストマスクを形成し(図示せず)、酸化珪素膜130、134、138、142及び146並びにn型ポリシリコン膜132、136、140及び144の一部をエッチングすることにより、ホール154a〜154hを形成する。本実施形態においても、円柱状のホール154a〜154hを形成するようにしたが、これに限定されるわけではなく、角柱状、楕円柱状等種々の形状のホールを形成するようにしてもよい。 Similar to the process shown in FIG. 25 of the first embodiment, a resist mask is formed (not shown), and one of the silicon oxide films 130, 134, 138, 142, and 146 and the n-type polysilicon films 132, 136, 140, and 144 is formed. The holes 154a to 154h are formed by etching the part. Also in the present embodiment, the cylindrical holes 154a to 154h are formed. However, the present invention is not limited to this, and various shapes of holes such as prismatic and elliptical pillars may be formed.
次に、実施形態1の図26に示す工程と同様、例えば等方的なドライエッチングを行うことにより、ホール154a〜154hの側面のn型ポリシリコン132、136、140及び144を後退させ、n型ポリシリコン132a、136a、140a及び144aを形成する(図60)。 Next, as in the step shown in FIG. 26 of the first embodiment, for example, isotropic dry etching is performed to recede the n-type polysilicons 132, 136, 140, and 144 on the side surfaces of the holes 154a to 154h. Type polysilicons 132a, 136a, 140a and 144a are formed (FIG. 60).
次に、p型不純物を含んだガス雰囲気で基板100を高温処理することにより、p型不純物をn型ポリシリコン132a、136a、140a及び144aに拡散させ、浅いp型拡散領域156a〜156tを形成する(図61)。これら浅いp型拡散領域156a〜156tとn型ポリシリコン132a、136a、140a及び144aとが、それぞれ、PN接合を形成し、ダイオードを構成する。 Next, the substrate 100 is subjected to high-temperature processing in a gas atmosphere containing p-type impurities to diffuse the p-type impurities into the n-type polysilicons 132a, 136a, 140a, and 144a, thereby forming shallow p-type diffusion regions 156a to 156t. (FIG. 61). These shallow p-type diffusion regions 156a to 156t and n-type polysilicons 132a, 136a, 140a, and 144a form PN junctions to form diodes.
次に、反応性イオンエッチングにより、窒化珪素膜128の一部をエッチング除去し、ポリシリコン膜120a〜120eを露出する(図62)。 Next, a part of the silicon nitride film 128 is removed by reactive ion etching to expose the polysilicon films 120a to 120e (FIG. 62).
次に、浅いp型拡散領域156a〜156tの表面をプラチナ(Pt)でシリサイド化することにより、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tを形成する(図63)。 Next, the surface of the shallow p-type diffusion regions 156a to 156t is silicided with platinum (Pt) to form platinum silicide (PtSi) 158a to 158t (FIG. 63).
次に、実施形態1の図29において説明した電界メッキ法と同様、基板100を一方の電極とし、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tを他方の電極とし、電界メッキ法によりプラチナ(Pt)をプラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面に形成する(図64)。ここでは、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tとメッキ溶液との間で電子のやりが行われ、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面にプラチナ(Pt)が形成される。なお、本実施形態においては、電界メッキ法によって、ラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面にプラチナ(Pt)でなる電極を形成したが、無電界メッキ法によって、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面に電極を形成するようにしてもよい。実施形態1でも説明したとおり、無電界メッキ法によれば、基板100からプラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tへ電流を流すためのn型ポリシリコン層150aのような配線が不要となる。 Next, similarly to the electroplating method described with reference to FIG. 29 of the first embodiment, the substrate 100 is used as one electrode, platinum silicide (PtSi) 158a to 158t is used as the other electrode, and platinum (Pt) is converted into platinum by electroplating. It is formed on the surface of silicide (PtSi) 158a to 158t (FIG. 64). Here, electrons are exchanged between the platinum silicides (PtSi) 158a to 158t and the plating solution, and platinum (Pt) is formed on the surfaces of the platinum silicides (PtSi) 158a to 158t. In this embodiment, electrodes made of platinum (Pt) are formed on the surfaces of latina silicide (PtSi) 158a to 158t by electroplating, but platinum silicide (PtSi) 158a to 158t are formed by electroless plating. An electrode may be formed on the surface. As described in the first embodiment, the electroless plating method eliminates the need for wiring such as the n-type polysilicon layer 150a for flowing a current from the substrate 100 to the platinum silicide (PtSi) 158a to 158t.
次に、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面に形成されたプラチナの表面に強磁性体層182a〜182tを無電界メッキ法により形成する。本実施形態においては、強磁性体層182a〜182tとしてコバルト鉄(CoFe)を用いるが、これに限定されるわけではなく、強磁性体層182a〜182tとしては、CoFeB等を用いてもよい。また、本実施形態においては、無電界メッキ法によって強磁性体層であるCoFe層を形成したが、これに限定されるわけではない。 Next, ferromagnetic layers 182a to 182t are formed on the surface of platinum formed on the surfaces of platinum silicide (PtSi) 158a to 158t by an electroless plating method. In this embodiment, cobalt iron (CoFe) is used as the ferromagnetic layers 182a to 182t, but the present invention is not limited to this, and CoFeB or the like may be used as the ferromagnetic layers 182a to 182t. In this embodiment, the CoFe layer, which is a ferromagnetic layer, is formed by electroless plating. However, the present invention is not limited to this.
次に、強磁性体層182a〜182tの表面に金属層を無電界メッキ法によって形成した後、酸素雰囲気中で加熱することにより、スピンフィルターとなる酸化金属層184a〜184tを形成する。 Next, after a metal layer is formed on the surfaces of the ferromagnetic layers 182a to 182t by an electroless plating method, metal oxide layers 184a to 184t serving as spin filters are formed by heating in an oxygen atmosphere.
次に、基板全面に強磁性体層186をスッパタリング法によって形成する。本実施形態においては、強磁性体層186としてコバルト鉄(CoFe)を用いるが、これに限定されるわけではなく、強磁性体層186としては、CoFeB等を用いてもよい。 Next, a ferromagnetic layer 186 is formed on the entire surface of the substrate by a sputtering method. In this embodiment, cobalt iron (CoFe) is used as the ferromagnetic layer 186, but the present invention is not limited to this, and CoFeB or the like may be used as the ferromagnetic layer 186.
次に、反応性イオンエッチングにより、強磁性体層186の一部をエッチング除去し、ポリシリコン膜120a〜120eを露出し、強磁性体層186a〜186eを形成する(図68)。 Next, a part of the ferromagnetic layer 186 is removed by reactive ion etching to expose the polysilicon films 120a to 120e, thereby forming the ferromagnetic layers 186a to 186e (FIG. 68).
次に、強磁性体層186a〜186eによって囲われたホール188a〜188eを埋めるように窒化チタン(TiN)層を形成し、CMP処理を行うことによって、窒化チタン層190a〜190eを形成する(図69)。 Next, a titanium nitride (TiN) layer is formed so as to fill the holes 188a to 188e surrounded by the ferromagnetic layers 186a to 186e, and a CMP process is performed to form titanium nitride layers 190a to 190e (FIG. 69).
次に、レジストマスクを形成し(図示せず)、図70(A)のHで示す部分をエッチング除去する。この工程によって、電界メッキ法によって、電極を形成するために用いた配線(ポリシリコン層150a)を除去し、ソース線をそれぞれ電気的に絶縁する。その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子領域3が完成する。 Next, a resist mask is formed (not shown), and a portion indicated by H in FIG. Through this step, the wiring (polysilicon layer 150a) used to form the electrodes is removed by electroplating, and the source lines are electrically insulated from each other. Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to the present embodiment is completed.
また、図69で示す工程後、レジストマスクを形成し(図示せず)、上述の実施形態4の図57で説明した工程と同様のエッチング工程を行いソース線をそれぞれ電気的に絶縁するようにしてもよい。その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子領域3が完成する。 In addition, after the step shown in FIG. 69, a resist mask is formed (not shown), and an etching step similar to the step described in FIG. 57 of the fourth embodiment is performed to electrically isolate the source lines. May be. Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to the present embodiment is completed.
(実施形態6)
(RRAM:Resisitive RAM)
本実施形態6においては、双極性動作の本発明の不揮発性半導体記憶装置の例として、Pr0.7Ca0.3MnO3等の電界誘起抵抗変化(CER)効果を有する材料を用いた不揮発性半導体記憶装置(RRAM:Resisitive RAM)について説明する。
(Embodiment 6)
(RRAM: Resistive RAM)
In the sixth embodiment, as an example of the non-volatile semiconductor memory device of the present invention having bipolar operation, a non-volatile semiconductor memory device using a material having a field induced resistance change (CER) effect such as Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 is used. (RRAM: Resistive RAM) will be described.
本実施形態6に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置400は、メモリ素子領域3の構成以外は、上述の実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1又は実施形態4に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200と同様である。よって、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置400の各構成要素については、改めて説明しない場合がある。 The nonvolatile semiconductor memory device 400 of the present invention according to the sixth embodiment is the present invention according to the nonvolatile semiconductor memory device 1 or the fourth embodiment of the present invention according to the above-described first embodiment, except for the configuration of the memory element region 3. This is the same as the nonvolatile semiconductor memory device 200 of FIG. Therefore, each component of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to the present embodiment may not be described again.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400は、各メモリ素子15が、Pr0.7Ca0.3MnO3等の電界誘起抵抗変化(CER)効果を有する材料(以下「CER材料」という。)を有している。電界誘起抵抗変化(CER)効果とは、電界を印加することによってその電気抵抗値が変化する現象であって、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置400は、このメモリ素子15の電気抵抗値の変化を利用して情報を記憶するようにしている。なお、各メモリ素子15を構成するCER材料の電気抵抗は、電界を取り去った後は、変化しない。よって、各メモリ素子は、電界を取り去った後にでも、その情報を記憶し続ける。 In the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to the present embodiment, each memory element 15 includes a material having a field induced resistance change (CER) effect such as Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 (hereinafter referred to as “CER material”). ing. The electric field induced resistance change (CER) effect is a phenomenon in which the electric resistance value is changed by applying an electric field, and the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to the present embodiment has the memory element 15 of the memory element 15. Information is stored using changes in the electrical resistance value. Note that the electric resistance of the CER material constituting each memory element 15 does not change after the electric field is removed. Thus, each memory element continues to store that information even after the electric field is removed.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置400は、双極性動作の不揮発性半導体記憶装置である。 The nonvolatile semiconductor memory device 400 of the present invention according to this embodiment is a bipolar semiconductor memory device.
図71(A)、(B)及び(C)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400のメモリ素子領域3の一部の概略構成図である。図71(C)は、メモリ素子領域3の上面図である。図71(C)においては、図2と同様、説明の便宜上、一部は、その上部構造が剥離されて示されている。図71(A)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図71(C)に示すA−A’の断面に相当する図である。図71(B)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図71(C)に示すB−B’の断面に相当する図である。図71に示すとおり、上述の実施形態1乃至5と同様、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400のメモリ素子領域3は、縦方向に積層された複数のメモリ素子15a〜15dを有するメモリ素子ストリングス28がマトリクス状に配列した構成を有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400のメモリ素子領域3においては、最小加工寸法をFとすると、メモリ素子15のA−A’方向の長さは3Fであり、且つ、B−B’方向の長さは2Fであるので、1つのメモリストリングスがn個のメモリ素子15を有する場合(n個のメモリ素子が積層されている場合)、メモリ素子15の面積は6F2/nとなる。 71A, 71B, and 71C are schematic configuration diagrams of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to this embodiment. FIG. 71C is a top view of the memory element region 3. In FIG. 71 (C), as in FIG. 2, for convenience of explanation, a part of the upper structure is shown separated. 71A is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line AA ′ shown in FIG. 71C. 71B is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line BB ′ shown in FIG. 71C. As shown in FIG. 71, as in the first to fifth embodiments described above, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to this embodiment includes a plurality of memory elements 15a to 15d stacked in the vertical direction. The element strings 28 are arranged in a matrix. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to the present embodiment, when the minimum processing dimension is F, the length of the memory element 15 in the AA ′ direction is 3F, and BB ′. Since the length in the direction is 2F, when one memory string has n memory elements 15 (when n memory elements are stacked), the area of the memory element 15 is 6F 2 / n. .
図72(A)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400のメモリ素子領域3の一部の断面図である。図72(D)は、メモリ素子15の部分拡大図であり、図72(E)は、メモリ素子15の等価回路図である。図72(F)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400の一部の等価回路である。図72(A)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400のメモリ素子領域3は、縦型トランジスタ20を有している。縦型トランジスタ20の上に複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15a〜15dが積層されている。本実施形態においても、縦型トランジスタ20の上に積層された複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15a〜15dからなる構成をメモリ素子ストリングス28という。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置300のメモリ素子領域3は、10×20=200個のメモリ素子ストリングス28を有している。 FIG. 72A is a cross-sectional view of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to this embodiment. FIG. 72D is a partially enlarged view of the memory element 15, and FIG. 72E is an equivalent circuit diagram of the memory element 15. FIG. 72F is an equivalent circuit of a part of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to this embodiment. As shown in FIG. 72A, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to this embodiment includes a vertical transistor 20. A plurality (four in this embodiment) of memory elements 15 a to 15 d are stacked on the vertical transistor 20. Also in the present embodiment, a configuration including a plurality of (four in the present embodiment) memory elements 15 a to 15 d stacked on the vertical transistor 20 is referred to as a memory element string 28. The memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 300 according to the present embodiment has 10 × 20 = 200 memory element strings 28.
本実施形態においては、メモリストリングス28は、メモリ素子15a〜15dを有している。メモリ素子15aは、金属層171a、CER層170a、金属シリサイド層158a、浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aを有している。メモリ素子15bは、金属層171a、CER層170a、金属シリサイド層158b、金属シリサイド層158b、浅いp型ポリシリコン層156b及びn型ポリシリコン層144bを有している。メモリ素子15cは、金属層171a、CER層170a、金属シリサイド層158c、金属シリサイド層158c、浅いp型ポリシリコン層156c及びn型ポリシリコン層144cを有している。メモリ素子15dは、金属層171a、CER層170a、金属シリサイド層158d、浅いp型ポリシリコン層156d及びn型ポリシリコン層144dを有している。 In the present embodiment, the memory string 28 includes memory elements 15a to 15d. The memory element 15a includes a metal layer 171a, a CER layer 170a, a metal silicide layer 158a, a shallow p-type polysilicon layer 156a, and an n-type polysilicon layer 144a. The memory element 15b includes a metal layer 171a, a CER layer 170a, a metal silicide layer 158b, a metal silicide layer 158b, a shallow p-type polysilicon layer 156b, and an n-type polysilicon layer 144b. The memory element 15c includes a metal layer 171a, a CER layer 170a, a metal silicide layer 158c, a metal silicide layer 158c, a shallow p-type polysilicon layer 156c, and an n-type polysilicon layer 144c. The memory element 15d includes a metal layer 171a, a CER layer 170a, a metal silicide layer 158d, a shallow p-type polysilicon layer 156d, and an n-type polysilicon layer 144d.
メモリストリングス28を構成する各メモリ素子15a〜15dは、共通した金属層171a及びCER層170aを有している。また、各メモリ素子15a〜15dは、金属層171aによって電気的に接続されている。n型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dは、それぞれ、ソース線9を構成し、それぞれ板状に形成されている。本実施形態係る不揮発性半導体記憶装置400のメモリ素子領域3においては、全てのメモリストリングス28は、n型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dを共通に有している。 The memory elements 15a to 15d constituting the memory string 28 have a common metal layer 171a and CER layer 170a. The memory elements 15a to 15d are electrically connected by a metal layer 171a. The n-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d constitute the source line 9 and are each formed in a plate shape. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to this embodiment, all the memory strings 28 have n-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d in common.
図72(D)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400のメモリ素子15aは、金属層171a、CER層170a、金属シリサイド層でなる抵抗変化素子15a1、並びに、抵抗変化素子15a1の一端に接続された、浅いp型ポリシリコン膜156a及びn型ポリシリコン膜144aでなるダイオード15a2を有している。他の実施形態と同様、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400のメモリ素子15は、抵抗変化素子15a1とダイオード15a2とが直列に接続されている。なお、メモリ素子15aが抵抗変化素子15a1からなり、抵抗変化素子15a1からなるメモリ素子15aの一端にダイオード15a2が接続されていると考えてもよい。他のメモリ素子15b〜15dもメモリ素子15aと同様の構成を有している。なお、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400のメモリ素子15aにおいては、抵抗変化素子15a1からソース線SLに向かう方向を順方向としたダイオード15a2を有するようにしているが、このダイオード15a2の向きが反対になるように浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aを形成するようにしてもよい。 As shown in FIG. 72D, the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to this embodiment includes a metal layer 171a, a CER layer 170a, a resistance change element 15a1 made of a metal silicide layer, and a resistance change element 15a1. And a diode 15a2 made of a shallow p-type polysilicon film 156a and an n-type polysilicon film 144a, which are connected to one end thereof. As in the other embodiments, in the memory element 15 of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to this embodiment, the resistance change element 15a1 and the diode 15a2 are connected in series. It may be considered that the memory element 15a is composed of the resistance change element 15a1, and the diode 15a2 is connected to one end of the memory element 15a composed of the resistance change element 15a1. The other memory elements 15b to 15d have the same configuration as the memory element 15a. Note that the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to the present embodiment includes the diode 15a2 whose forward direction is from the resistance change element 15a1 toward the source line SL. The shallow p-type polysilicon layer 156a and n-type polysilicon layer 144a may be formed so that the directions are opposite.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400においては、実施形態1と同様、メモリ素子15の一端は、ソース線選択トランジスタ26を介してソース線9(SL)に接続されている。上述したとおり、ソース線9は、それぞれ同一層からなる板状の平面構造を有している。また、メモリ素子15の他端は、縦型トランジスタ20を介してビット線5(BL)に接続されている。ビット線5(BL)の一端には、ビット線選択トランジスタ24が接続されている。このビット線選択トランジスタ24によって、ビット線5(BL)に信号が印加される。ワード線11(WL)は、縦型トランジスタ20のゲートに接続されている。ワード線選択トランジスタ22によって、ワード線11(WL)に信号が印加される。 In the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to this embodiment, one end of the memory element 15 is connected to the source line 9 (SL) via the source line selection transistor 26 as in the first embodiment. As described above, each source line 9 has a plate-like planar structure made of the same layer. The other end of the memory element 15 is connected to the bit line 5 (BL) via the vertical transistor 20. A bit line selection transistor 24 is connected to one end of the bit line 5 (BL). A signal is applied to the bit line 5 (BL) by the bit line selection transistor 24. The word line 11 (WL) is connected to the gate of the vertical transistor 20. A signal is applied to the word line 11 (WL) by the word line selection transistor 22.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400においては、実施形態1と同様、図72に示すとおり、縦方向に積層された複数のメモリ素子15の一端がそれぞれ接続されており、縦型トランジスタ20を介してワード線11(WL)に接続されている。 In the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to the present embodiment, as in the first embodiment, as shown in FIG. 72, one ends of the plurality of memory elements 15 stacked in the vertical direction are connected to each other, and the vertical transistor 20 Is connected to the word line 11 (WL).
図71及び図72においては、1つのメモリ素子ストリングス28について説明したが、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置400においては、全てのメモリストリングス28が同様の構成を有している。また、メモリストリングス28の数及びメモリストリングス28を構成するメモリ素子15の数は、メモリ容量に応じて任意の数に適宜変更することが可能である。 71 and 72, one memory element string 28 has been described. However, in the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to this embodiment, all the memory strings 28 have the same configuration. Further, the number of the memory strings 28 and the number of the memory elements 15 constituting the memory strings 28 can be appropriately changed to any number according to the memory capacity.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置400は、双極性動作の不揮発性半導体記憶装置である。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置400におけるデータの読み出し動作、書き込み動作、消去動作は、実施形態2で説明した動作と同様であるので、ここでは改めて説明しない。以下、本実施形態にかかる本発明の不揮発性半導体記憶装置400において、実施形態2と同様、メモリ素子Mのパラメータの例と、メモリ素子M(2,1,2)を選択する場合のワード線WL1〜WL3、ソース線SL1〜SL3、ビット線BL1〜BL3に印加する電圧の例を示す。
(メモリ素子のパラメータ)
書き込み電圧V_set=0.5V
消去電圧V_reset=−0.5V
ダイオードのブレイクダウン電圧VBD=1V
(読み出し動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLread=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLread=0.2V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
(書き込み動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLset=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLset=0.7V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
(消去動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLset=1.2V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:0.6V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLset=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
The nonvolatile semiconductor memory device 400 of the present invention according to this embodiment is a bipolar semiconductor memory device. Since the data read operation, write operation, and erase operation in the nonvolatile semiconductor memory device 400 of the present invention according to this embodiment are the same as those described in Embodiment 2, they will not be described again here. Hereinafter, in the nonvolatile semiconductor memory device 400 of the present invention according to the present embodiment, as in the second embodiment, examples of parameters of the memory element M and word lines when the memory element M (2, 1, 2) is selected Examples of voltages applied to WL1 to WL3, source lines SL1 to SL3, and bit lines BL1 to BL3 are shown.
(Memory element parameters)
Write voltage V_set = 0.5V
Erase voltage V_reset = -0.5V
Diode breakdown voltage VBD = 1V
(During read operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLread = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLread = 0 .2V
Bit line potentials other than bit lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): floating (during write operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLset = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLset = 0 .7V
Bit line potentials other than bit lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): floating (during erase operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLset = 1.2V
Potentials of source lines other than the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): 0.6V
The potential of the bit line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VBLset = 0V
Bit line potential other than bit line connected to selected memory element M (2, 1, 2): floating
以下、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置400の製造プロセスについて説明する。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置400の製造プロセスにおいては、実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1又は実施形態4に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200の製造プロセスと同様な部分については、ここでは再度の説明を省略する。 Hereinafter, a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 400 according to the embodiment will be described. In the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 400 of the present invention according to the present embodiment, the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to the first embodiment or the nonvolatile semiconductor memory device 200 of the present invention according to the fourth embodiment. The description of the same part as the manufacturing process is omitted here.
実施形態1の図32に示す工程と同様の工程の後、基板全面にCER層170を形成する(図73)。 After the process similar to the process shown in FIG. 32 of Embodiment 1, a CER layer 170 is formed on the entire surface of the substrate (FIG. 73).
次に、反応性イオンエッチングによって、CER層170の一部及び窒化珪素膜128の一部を除去する。この工程によって、ポリシリコン膜120a〜120eが露出し、且つCER層170a〜170eが形成される(図74)。 Next, a part of the CER layer 170 and a part of the silicon nitride film 128 are removed by reactive ion etching. By this step, the polysilicon films 120a to 120e are exposed, and CER layers 170a to 170e are formed (FIG. 74).
次に、基板全面に金属層としてプラチナ(Pt)層171を形成する。その後、ホール162a〜162hを埋めるように窒化チタン(TiN)層172を形成する(図75)。金属層として、プラチナ以外に、ReO3、IrO2、OsO2、RhO2、NMoO2、RuO2、TiN等を用いてもよい。また、窒化チタン層172の替わりに、Wを用いてもよい。次に、CMPやエッチバック法を用いて基板全面を平坦化し、プラチナ層171a〜171h、窒化チタン層172a〜172hを形成する(図76)。 Next, a platinum (Pt) layer 171 is formed as a metal layer on the entire surface of the substrate. Thereafter, a titanium nitride (TiN) layer 172 is formed so as to fill the holes 162a to 162h (FIG. 75). In addition to platinum, ReO 3 , IrO 2 , OsO 2 , RhO 2 , NMoO 2 , RuO 2 , TiN, or the like may be used as the metal layer. In place of the titanium nitride layer 172, W may be used. Next, the entire surface of the substrate is flattened by using CMP or an etch back method to form platinum layers 171a to 171h and titanium nitride layers 172a to 172h (FIG. 76).
その後、レジストマスクを形成し(図示せず)、図76(A)のFで示す部分をエッチング除去する(図76)。この工程によって、電界メッキ法によって、電極保護膜を形成するために用いた配線(ポリシリコン層150a)を除去し、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tをそれぞれ電気的に絶縁する。 Thereafter, a resist mask is formed (not shown), and a portion indicated by F in FIG. 76A is removed by etching (FIG. 76). Through this step, the wiring (polysilicon layer 150a) used to form the electrode protection film is removed by electroplating, and the platinum silicides (PtSi) 158a to 158t are electrically insulated from each other.
その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3が完成する。 Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment is completed.
また、図75で示す工程後、レジストマスクを形成し(図示せず)、図75(A)のGで示す部分をエッチング除去し、ソース線をそれぞれ電気的に絶縁するようにしてもよい(図75)。この場合、メッキ用の配線(ポリシリコン層150a)部は残存することになる。その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3が完成する。 In addition, after the step shown in FIG. 75, a resist mask may be formed (not shown), and a portion indicated by G in FIG. 75A may be removed by etching so that the source lines are electrically insulated from each other ( FIG. 75). In this case, the wiring (polysilicon layer 150a) for plating remains. Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to this embodiment is completed.
(実施形態7)
(PMCRAM:Programmable Metallization RAM)
本実施形態7においては、双極性動作の本発明の不揮発性半導体記憶装置の例として、CuS、AgGeS、CuGeS、AgGeSe等の電解質材料を用いた不揮発性半導体記憶装置(PMCRAM:Programmable Metallization RAM)について説明する。
(Embodiment 7)
(PMCRAM: Programmable Metallization RAM)
In the seventh embodiment, a nonvolatile semiconductor memory device (PMMCRAM: Programmable Metallization RAM) using an electrolyte material such as CuS, AgGeS, CuGeS, or AgGeSe is shown as an example of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention that performs bipolar operation. explain.
本実施形態7に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置500は、メモリ素子領域3の構成以外は、上述の実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1又は実施形態4に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200と同様である。よって、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置500の各構成要素については、改めて説明しない場合がある。 The nonvolatile semiconductor memory device 500 according to the seventh embodiment of the present invention is the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the first embodiment of the present invention or the fourth embodiment of the present invention except for the configuration of the memory element region 3. This is the same as the nonvolatile semiconductor memory device 200 of FIG. Therefore, each component of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment may not be described again.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500は、各メモリ素子15がCuS、AgGeS、CuGeS、AgGeSe等の電解質材料を有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500においては、各メモリ素子15に電圧を印加することにより電解質材料(コロイド)中をAg+やCu+等の金属イオンが移動し、電解質材料中に金属的な「橋」を形成することによりメモリ素子15の抵抗値を変化させる。このメモリ素子15の抵抗値の変化を利用して情報を記憶するようにしている。 In the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment, each memory element 15 has an electrolyte material such as CuS, AgGeS, CuGeS, or AgGeSe. In the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment, by applying a voltage to each memory element 15, metal ions such as Ag + and Cu + move in the electrolyte material (colloid), and the metal is contained in the electrolyte material. The resistance value of the memory element 15 is changed by forming a typical “bridge”. Information is stored by utilizing the change in the resistance value of the memory element 15.
図78(A)、(B)及び(C)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子領域3の一部の概略構成図である。図78(C)は、メモリ素子領域3の上面図である。図78(C)においては、上述の実施形態1で説明したと同様、説明の便宜上、一部は、その上部構造が剥離されて示されている。図78(A)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図78(C)に示すA−A’の断面に相当する図である。図78(B)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図78(C)に示すB−B’の断面に相当する図である。図78に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子領域3は、縦方向に積層された複数のメモリ素子15a〜15dを有するメモリ素子ストリングス28がマトリクス状に配列した構成を有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子領域3においては、最小加工寸法をFとすると、メモリ素子15のA−A’方向の長さは3Fであり、且つ、B−B’方向の長さは2Fであるので、1つのメモリストリングスがn個のメモリ素子15を有する場合(n個のメモリ素子が積層されている場合)、メモリ素子15の面積は6F2/nとなる。 78A, 78B, and 78C are schematic configuration diagrams of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment. FIG. 78C is a top view of the memory element region 3. In FIG. 78C, as described in Embodiment 1 above, for convenience of explanation, part of the upper structure is shown separated. FIG. 78A is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line AA ′ shown in FIG. 78C. FIG. 78B is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line BB ′ shown in FIG. As shown in FIG. 78, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment has a configuration in which memory element strings 28 having a plurality of memory elements 15a to 15d stacked in the vertical direction are arranged in a matrix. have. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment, when the minimum processing dimension is F, the length in the AA ′ direction of the memory element 15 is 3F, and BB ′. Since the length in the direction is 2F, when one memory string has n memory elements 15 (when n memory elements are stacked), the area of the memory element 15 is 6F 2 / n. .
図79(A)は、図78(A)と同様、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子領域3の一部の断面図である。図79(D)は、メモリ素子15の部分拡大図であり、図79(E)は、メモリ素子15の等価回路図である。図79(F)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500の一部の等価回路である。図79(A)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子領域3は、縦型トランジスタ20を有している。縦型トランジスタ20の上に複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15a〜15dが積層されている。本実施形態においても、縦型トランジスタ20の上に積層された複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15a〜15dからなる構成をメモリ素子ストリングス28という。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子領域3は、図49に示すものと同様、10×20=200個のメモリ素子ストリングス28を有している。 FIG. 79A is a cross-sectional view of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment, similarly to FIG. FIG. 79D is a partially enlarged view of the memory element 15, and FIG. 79E is an equivalent circuit diagram of the memory element 15. FIG. 79F is an equivalent circuit of a part of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment. As shown in FIG. 79A, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment includes a vertical transistor 20. A plurality (four in this embodiment) of memory elements 15 a to 15 d are stacked on the vertical transistor 20. Also in the present embodiment, a configuration including a plurality of (four in the present embodiment) memory elements 15 a to 15 d stacked on the vertical transistor 20 is referred to as a memory element string 28. The memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment has 10 × 20 = 200 memory element strings 28 as shown in FIG.
本実施形態においては、メモリストリングス28は、メモリ素子15a〜15dを有している。メモリ素子15aは、電解質材料202a、金属シリサイド層158a、浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aを有している。メモリ素子15bは、電解質材料202a、金属シリサイド層158b、浅いp型ポリシリコン層156b及びn型ポリシリコン層144bを有している。メモリ素子15cは、電解質材料202a、電解質材料202a、金属シリサイド層158c、浅いp型ポリシリコン層156c及びn型ポリシリコン層144cを有している。メモリ素子15dは、電解質材料202a、金属シリサイド層158d、浅いp型ポリシリコン層156d及びn型ポリシリコン層144dを有している。 In the present embodiment, the memory string 28 includes memory elements 15a to 15d. The memory element 15a includes an electrolyte material 202a, a metal silicide layer 158a, a shallow p-type polysilicon layer 156a, and an n-type polysilicon layer 144a. The memory element 15b includes an electrolyte material 202a, a metal silicide layer 158b, a shallow p-type polysilicon layer 156b, and an n-type polysilicon layer 144b. The memory element 15c includes an electrolyte material 202a, an electrolyte material 202a, a metal silicide layer 158c, a shallow p-type polysilicon layer 156c, and an n-type polysilicon layer 144c. The memory element 15d includes an electrolyte material 202a, a metal silicide layer 158d, a shallow p-type polysilicon layer 156d, and an n-type polysilicon layer 144d.
メモリストリングス28を構成する各メモリ素子15a〜15dは、共通した電解質材料202aを有している。また、n型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dは、それぞれ、ソース線9を構成し、それぞれ板状に形成されている。本実施形態係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子領域3においては、全てのメモリストリングス28は、n型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dを共通に有している。 The memory elements 15a to 15d constituting the memory string 28 have a common electrolyte material 202a. The n-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d constitute the source line 9 and are each formed in a plate shape. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment, all the memory strings 28 have n-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d in common.
図79(D)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子15aは、電解質材料202a及び金属シリサイド層158aでなる抵抗変化素子15a1、並びに、抵抗変化素子15a1の一端に接続された、浅いp型ポリシリコン膜156a及びn型ポリシリコン膜144aでなるダイオード15a2を有している。他の実施形態と同様、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子15は、抵抗変化素子15a1とダイオード15a2とが直列に接続されている。なお、他の実施形態と同様、メモリ素子15aが抵抗変化素子15a1からなり、抵抗変化素子15a1からなるメモリ素子15aの一端にダイオード15a2が接続されていると考えてもよい。他のメモリ素子15b〜15dもメモリ素子15aと同様の構成を有している。なお、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子15aにおいては、抵抗変化素子15a1からソース線SLに向かう方向を順方向としたダイオード15a2を有するようにしているが、他の実施形態と同様、このダイオード15a2の向きが反対になるように浅いp型ポリシリコン層156a及びn型ポリシリコン層144aを形成するようにしてもよい。 As shown in FIG. 79D, the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment includes a resistance change element 15a1 made of an electrolyte material 202a and a metal silicide layer 158a, and one end of the resistance change element 15a1. A diode 15a2 made of a shallow p-type polysilicon film 156a and an n-type polysilicon film 144a is connected. As in the other embodiments, in the memory element 15 of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment, the resistance change element 15a1 and the diode 15a2 are connected in series. As in the other embodiments, it may be considered that the memory element 15a includes the resistance change element 15a1, and the diode 15a2 is connected to one end of the memory element 15a including the resistance change element 15a1. The other memory elements 15b to 15d have the same configuration as the memory element 15a. Note that the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to the present embodiment includes the diode 15a2 whose forward direction is the direction from the resistance change element 15a1 toward the source line SL. Similarly, the shallow p-type polysilicon layer 156a and n-type polysilicon layer 144a may be formed so that the direction of the diode 15a2 is opposite.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500においては、実施形態1と同様、メモリ素子15の一端は、ソース線選択トランジスタ26を介してソース線9(SL)に接続されている。上述したとおり、ソース線9は、それぞれ同一層からなる板状の平面構造を有している。また、メモリ素子15の他端は、縦型トランジスタ20を介してビット線5(BL)に接続されている。ビット線5(BL)の一端には、ビット線選択トランジスタ24が接続されている。このビット線選択トランジスタ24によって、ビット線5(BL)に信号が印加される。ワード線11(WL)は、縦型トランジスタ20のゲートに接続されている。ワード線選択トランジスタ22によって、ワード線11(WL)に信号が印加される。 In the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment, one end of the memory element 15 is connected to the source line 9 (SL) via the source line selection transistor 26 as in the first embodiment. As described above, each source line 9 has a plate-like planar structure made of the same layer. The other end of the memory element 15 is connected to the bit line 5 (BL) via the vertical transistor 20. A bit line selection transistor 24 is connected to one end of the bit line 5 (BL). A signal is applied to the bit line 5 (BL) by the bit line selection transistor 24. The word line 11 (WL) is connected to the gate of the vertical transistor 20. A signal is applied to the word line 11 (WL) by the word line selection transistor 22.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500においては、実施形態1と同様、図79に示すとおり、縦方向に積層された複数のメモリ素子15の一端がそれぞれ接続されており、縦型トランジスタ20を介してワード線11(WL)に接続されている。 In the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to the present embodiment, as in the first embodiment, as shown in FIG. 79, one ends of the plurality of memory elements 15 stacked in the vertical direction are connected to each other, and the vertical transistor 20 Is connected to the word line 11 (WL).
図78及び図79においては、1つのメモリ素子ストリングス28について説明したが、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500においては、全てのメモリストリングス28が同様の構成を有している。また、メモリストリングス28の数及びメモリストリングス28を構成するメモリ素子15の数は、メモリ容量に応じて任意の数に適宜変更することが可能である。 78 and 79, one memory element string 28 has been described. However, in the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to this embodiment, all the memory strings 28 have the same configuration. Further, the number of the memory strings 28 and the number of the memory elements 15 constituting the memory strings 28 can be appropriately changed to any number according to the memory capacity.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置500は、双極性動作の不揮発性半導体記憶装置である。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置500におけるデータの読み出し動作、書き込み動作、消去動作は、実施形態2で説明した動作と同様であるので、ここでは改めて説明しない。以下、本実施形態にかかる本発明の不揮発性半導体記憶装置500において、実施形態2と同様、メモリ素子Mのパラメータの例と、メモリ素子M(2,1,2)を選択する場合のワード線WL1〜WL3、ソース線SL1〜SL3、ビット線BL1〜BL3に印加する電圧の例を示す。
(メモリ素子のパラメータ)
書き込み電圧V_set=0.5V
消去電圧V_reset=−0.5V
ダイオードのブレイクダウン電圧VBD=1V
(読み出し動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLread=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLread=0.2V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
(書き込み動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLset=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLset=0.7V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
(消去動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLset=1.2V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:0.6V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLset=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
The nonvolatile semiconductor memory device 500 of the present invention according to this embodiment is a bipolar semiconductor memory device. Since the data read operation, write operation, and erase operation in the nonvolatile semiconductor memory device 500 of the present invention according to this embodiment are the same as those described in the second embodiment, they will not be described again here. Hereinafter, in the nonvolatile semiconductor memory device 500 of the present invention according to the present embodiment, as in the second embodiment, examples of parameters of the memory element M and word lines when the memory element M (2, 1, 2) is selected Examples of voltages applied to WL1 to WL3, source lines SL1 to SL3, and bit lines BL1 to BL3 are shown.
(Memory element parameters)
Write voltage V_set = 0.5V
Erase voltage V_reset = -0.5V
Diode breakdown voltage VBD = 1V
(During read operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLread = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLread = 0 .2V
Bit line potentials other than bit lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): floating (during write operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLset = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLset = 0 .7V
Bit line potentials other than bit lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): floating (during erase operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLset = 1.2V
Potentials of source lines other than the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): 0.6V
The potential of the bit line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VBLset = 0V
Bit line potential other than bit line connected to selected memory element M (2, 1, 2): floating
以下、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置500の製造プロセスについて説明する。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置500の製造プロセスにおいては、実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1又は実施形態4に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200の製造プロセスと同様な部分については、ここでは再度の説明を省略する。 Hereinafter, a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to the present embodiment will be described. In the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 500 of the present invention according to the present embodiment, the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to the first embodiment or the nonvolatile semiconductor memory device 200 of the present invention according to the fourth embodiment. The description of the same part as the manufacturing process is omitted here.
実施形態1の図32において説明した電界メッキ法と同様、電界メッキ法によりプラチナ(Pt)をプラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面に形成する。ここでは、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tとメッキ溶液との間で電子のやり取りが行われ、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面にプラチナ(Pt)が形成される。なお、本実施形態においては、電界メッキ法によって、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面にプラチナ(Pt)でなる電極を形成したが、無電界メッキ法によって、プラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tの表面に電極を形成するようにしてもよい。実施形態1でも説明したとおり、無電界メッキ法によれば、基板100からプラチナシリサイド(PtSi)158a〜158tへ電流を流すためのn型ポリシリコン層150aのような配線が不要となる。 Similar to the electroplating method described in FIG. 32 of the first embodiment, platinum (Pt) is formed on the surfaces of platinum silicides (PtSi) 158a to 158t by the electroplating method. Here, electrons are exchanged between the platinum silicides (PtSi) 158a to 158t and the plating solution, and platinum (Pt) is formed on the surfaces of the platinum silicides (PtSi) 158a to 158t. In this embodiment, electrodes made of platinum (Pt) are formed on the surfaces of platinum silicides (PtSi) 158a to 158t by electroplating, but platinum silicides (PtSi) 158a to 158t are formed by electroless plating. An electrode may be formed on the surface. As described in the first embodiment, the electroless plating method eliminates the need for wiring such as the n-type polysilicon layer 150a for flowing a current from the substrate 100 to the platinum silicide (PtSi) 158a to 158t.
次に、基板100全面に電解質材料202を堆積し、CMPもしくはエッチバック法を用いることで電解質層202a〜202hを形成する(図80)。本実施形態においては、電解質材料202としてCuSを用いる。なお、電解質材料202としては、CuSの他、CuS、AgGeS、CuGeS、AgGeSe等を用いることができる。 Next, an electrolyte material 202 is deposited on the entire surface of the substrate 100, and electrolyte layers 202a to 202h are formed by using CMP or an etch back method (FIG. 80). In this embodiment, CuS is used as the electrolyte material 202. As the electrolyte material 202, CuS, AgGeS, CuGeS, AgGeSe, or the like can be used in addition to CuS.
次に、レジストマスクを形成し(図示せず)、図81(A)のGで示す部分をエッチング除去する(図81)。この工程によって、電界メッキ法によって、電極保護膜を形成するために用いた配線(ポリシリコン層150a)を除去し、ソース線をそれぞれ電気的に絶縁する。その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置200のメモリ素子領域3が完成する。 Next, a resist mask is formed (not shown), and a portion indicated by G in FIG. 81A is removed by etching (FIG. 81). Through this step, the wiring (polysilicon layer 150a) used to form the electrode protective film is removed by electroplating, and the source lines are electrically insulated from each other. Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 200 according to the present embodiment is completed.
また、図80で示す工程後、レジストマスクを形成し(図示せず)、実施形態1の図34のEで示す部分をエッチング除去し、ソース線をそれぞれ電気的に絶縁するようにしてもよい。この場合、メッキ用の配線(ポリシリコン層150a)部は残存することになる。その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置500のメモリ素子領域3が完成する。 Further, after the step shown in FIG. 80, a resist mask may be formed (not shown), and the portion indicated by E in FIG. 34 of Embodiment 1 may be removed by etching to electrically insulate the source lines. . In this case, the wiring (polysilicon layer 150a) for plating remains. Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 500 according to the present embodiment is completed.
(実施形態8)
(OTP Memory:One Time Programmable MMemory)
本実施形態8においては、本発明の不揮発性半導体記憶装置の例として、各メモリ素子15がPN接合の間に酸化膜等の絶縁膜を有する不揮発性半導体記憶装置(OTP Memory:One Time Programmable Memory)について説明する。
(Embodiment 8)
(OTP Memory: One Time Programmable Memory)
In the eighth embodiment, as an example of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, each memory element 15 includes an insulating film such as an oxide film between PN junctions (OTP Memory: One Time Programmable Memory). ).
本実施形態8に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置600は、メモリ素子領域3の構成以外は、上述の実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1又は実施形態4に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置200と同様である。よって、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置600の各構成要素については、改めて説明しない場合がある。 The nonvolatile semiconductor memory device 600 according to the eighth embodiment of the present invention is the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the first embodiment of the present invention or the fourth embodiment of the present invention except for the configuration of the memory element region 3. This is the same as the nonvolatile semiconductor memory device 200 of FIG. Therefore, each component of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to the present embodiment may not be described again.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600は、各メモリ素子15がPN接合の間に酸化膜等の絶縁膜を有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600においては、データを書き込むときに、メモリ素子15に大きな電流を流し、メモリ素子15のPN接合の間に存在する絶縁膜を絶縁破壊する。絶縁膜が絶縁破壊することにより、メモリ素子15はダイオードとして動作する。一方、絶縁膜が絶縁破壊していないメモリ素子15は電流がほとんど流れない。このように、絶縁膜が絶縁破壊しているかどうかによってメモリ素子15に流れる電流量に大きな際が生じる。メモリ素子15に流れる電流量を検知することにより、メモリ素子に記憶されたデータを読み出すようにする。 In the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment, each memory element 15 has an insulating film such as an oxide film between PN junctions. In the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment, when writing data, a large current is passed through the memory element 15 to break down the insulating film existing between the PN junctions of the memory element 15. As the insulating film breaks down, the memory element 15 operates as a diode. On the other hand, almost no current flows through the memory element 15 in which the insulating film is not broken down. In this way, a large amount of current flows through the memory element 15 depending on whether or not the insulating film is broken down. Data stored in the memory element is read by detecting the amount of current flowing through the memory element 15.
図83(A)、(B)及び(C)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600のメモリ素子領域3の一部の概略構成図である。図83(C)は、メモリ素子領域3の上面図である。図83(C)においては、上述の実施形態1で説明したと同様、説明の便宜上、一部は、その上部構造が剥離されて示されている。図83(A)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図83(C)に示すA−A’の断面に相当する図である。図83(B)は、メモリ素子領域3の断面図であり、図83(C)に示すB−B’の断面に相当する図である。図83に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600のメモリ素子領域3は、縦方向に積層された複数のメモリ素子15a〜15dを有するメモリ素子ストリングス28がマトリクス状に配列した構成を有している。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600のメモリ素子領域3においては、最小加工寸法をFとすると、メモリ素子15のA−A’方向の長さは3Fであり、且つ、B−B’方向の長さは2Fであるので、1つのメモリストリングスがn個のメモリ素子15を有する場合(n個のメモリ素子が積層されている場合)、メモリ素子15の面積は6F2/nとなる。 83A, 83B, and 83C are schematic configuration diagrams of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment. FIG. 83C is a top view of the memory element region 3. In FIG. 83C, as described in Embodiment 1 above, for convenience of explanation, part of the upper structure is shown separated. FIG. 83A is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line AA ′ shown in FIG. 83C. FIG. 83B is a cross-sectional view of the memory element region 3, and corresponds to a cross section taken along line BB ′ shown in FIG. 83C. As shown in FIG. 83, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment has a configuration in which memory element strings 28 having a plurality of memory elements 15a to 15d stacked in the vertical direction are arranged in a matrix. have. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment, when the minimum processing dimension is F, the length of the memory element 15 in the AA ′ direction is 3F, and BB ′. Since the length in the direction is 2F, when one memory string has n memory elements 15 (when n memory elements are stacked), the area of the memory element 15 is 6F 2 / n. .
図84(A)は、図83(A)と同様、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600のメモリ素子領域3の一部の断面図である。図84(D)は、メモリ素子15の部分拡大図であり、図84(E)は、メモリ素子15の等価回路図である。図84(F)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600の一部の等価回路である。図84(A)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600のメモリ素子領域3は、縦型トランジスタ20を有している。縦型トランジスタ20の上に複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15a〜15dが積層されている。本実施形態においても、縦型トランジスタ20の上に積層された複数の(本実施形態においては4個の)メモリ素子15a〜15dからなる構成をメモリ素子ストリングス28という。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600のメモリ素子領域3は、図1又は図49に示すものと同様、10×20=200個のメモリ素子ストリングス28を有している。 FIG. 84A is a cross-sectional view of a part of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment, similarly to FIG. 83A. FIG. 84D is a partially enlarged view of the memory element 15, and FIG. 84E is an equivalent circuit diagram of the memory element 15. FIG. 84F is a partial equivalent circuit of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment. As shown in FIG. 84A, the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment includes a vertical transistor 20. A plurality (four in this embodiment) of memory elements 15 a to 15 d are stacked on the vertical transistor 20. Also in the present embodiment, a configuration including a plurality of (four in the present embodiment) memory elements 15 a to 15 d stacked on the vertical transistor 20 is referred to as a memory element string 28. The memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to the present embodiment has 10 × 20 = 200 memory element strings 28 as shown in FIG. 1 or FIG.
本実施形態においては、メモリストリングス28は、メモリ素子15a〜15dを有している。メモリ素子15aは、n型ポリシリコン層212a、絶縁膜210a及びp型ポリシリコン層144aを有している。メモリ素子15bは、n型ポリシリコン層212a、絶縁膜210a及びp型ポリシリコン層144bを有している。メモリ素子15cは、n型ポリシリコン層212a、絶縁膜210a及びp型ポリシリコン層144cを有している。メモリ素子15aは、n型ポリシリコン層212a、絶縁膜210a及びp型ポリシリコン層144dを有している。 In the present embodiment, the memory string 28 includes memory elements 15a to 15d. The memory element 15a includes an n-type polysilicon layer 212a, an insulating film 210a, and a p-type polysilicon layer 144a. The memory element 15b includes an n-type polysilicon layer 212a, an insulating film 210a, and a p-type polysilicon layer 144b. The memory element 15c includes an n-type polysilicon layer 212a, an insulating film 210a, and a p-type polysilicon layer 144c. The memory element 15a includes an n-type polysilicon layer 212a, an insulating film 210a, and a p-type polysilicon layer 144d.
メモリストリングス28を構成する各メモリ素子15a〜15dは、共通したn型ポリシリコン層212a及び絶縁膜210aを有している。また、p型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dは、それぞれ、ソース線9を構成し、それぞれ板状に形成されている。本実施形態係る不揮発性半導体記憶装置600のメモリ素子領域3においては、全てのメモリストリングス28は、p型ポリシリコン層144a、144b、144c、及び144dを共通に有している。 Each of the memory elements 15a to 15d constituting the memory string 28 has a common n-type polysilicon layer 212a and an insulating film 210a. The p-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d constitute the source line 9 and are each formed in a plate shape. In the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment, all the memory strings 28 have p-type polysilicon layers 144a, 144b, 144c, and 144d in common.
図84(D)に示すとおり、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600のメモリ素子15aは、n型ポリシリコン層212a、絶縁膜210a及びp型ポリシリコン膜144aでなるPN接合の間に酸化膜等の絶縁膜が挟まれた構造を有している。上述したとおり、メモリ素子15aは、n型ポリシリコン層212aとp型ポリシリコン層144aとの間に絶縁膜210aが挟まれている構造を有している。なお、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600のメモリ素子15aにおいては、他の実施形態と同様、PN接合が反対になるように、ポリシリコン層212aをp型とし、ポリシリコン層144aをn型として形成するようにしてもよい。 As shown in FIG. 84D, the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment is provided between the PN junction composed of the n-type polysilicon layer 212a, the insulating film 210a, and the p-type polysilicon film 144a. It has a structure in which an insulating film such as an oxide film is sandwiched. As described above, the memory element 15a has a structure in which the insulating film 210a is sandwiched between the n-type polysilicon layer 212a and the p-type polysilicon layer 144a. Note that, in the memory element 15a of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to the present embodiment, the polysilicon layer 212a is p-type and the polysilicon layer 144a is formed so that the PN junction is opposite, as in the other embodiments. It may be formed as an n-type.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600においては、実施形態1と同様、メモリ素子15の一端は、ソース線選択トランジスタ26を介してソース線9(SL)に接続されている。上述したとおり、ソース線9は、それぞれ同一層からなる平面構造を有しており、板状の平面構造を有している。また、メモリ素子15の他端は、縦型トランジスタ20を介してビット線5(BL)に接続されている。ビット線5(BL)の一端には、ビット線選択トランジスタ24が接続されている。このビット線選択トランジスタ24によって、ビット線5(BL)に信号が印加される。ワード線11(WL)は、縦型トランジスタ20のゲートに接続されている。ワード線選択トランジスタ22によって、ワード線11(WL)に信号が印加される。 In the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment, one end of the memory element 15 is connected to the source line 9 (SL) via the source line selection transistor 26 as in the first embodiment. As described above, each source line 9 has a planar structure composed of the same layer, and has a plate-like planar structure. The other end of the memory element 15 is connected to the bit line 5 (BL) via the vertical transistor 20. A bit line selection transistor 24 is connected to one end of the bit line 5 (BL). A signal is applied to the bit line 5 (BL) by the bit line selection transistor 24. The word line 11 (WL) is connected to the gate of the vertical transistor 20. A signal is applied to the word line 11 (WL) by the word line selection transistor 22.
本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600においては、実施形態1と同様、図84に示すとおり、縦方向に積層された複数のメモリ素子15の一端がそれぞれ接続されており、縦型トランジスタ20を介してワード線11(WL)に接続されている。 In the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to the present embodiment, as in the first embodiment, as shown in FIG. 84, one ends of the plurality of memory elements 15 stacked in the vertical direction are connected to each other, and the vertical transistor 20 Is connected to the word line 11 (WL).
図83及び図84においては、1つのメモリ素子ストリングス28について説明したが、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600においては、全てのメモリストリングス28が同様の構成を有している。また、メモリストリングス28の数及びメモリストリングス28を構成するメモリ素子15の数は、メモリ容量に応じて任意の数に適宜変更することが可能である。 83 and 84, one memory element string 28 has been described. However, in the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment, all the memory strings 28 have the same configuration. Further, the number of the memory strings 28 and the number of the memory elements 15 constituting the memory strings 28 can be appropriately changed to any number according to the memory capacity.
本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置500は、消去動作を行うことができないという特性以外は、上述の実施形態1で説明した単極性動作の不揮発性半導体記憶装置と同様に考えることができる。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置600におけるデータの読み出し動作及び書き込み動作は、実施形態1で説明した動作と同様であるので、ここでは改めて説明しない。以下、本実施形態にかかる本発明の不揮発性半導体記憶装置600において、実施形態2と同様、メモリ素子Mのパラメータの例と、メモリ素子M(2,1,2)を選択する場合のワード線WL1〜WL3、ソース線SL1〜SL3、ビット線BL1〜BL3に印加する電圧の例を示す。
(メモリ素子のパラメータ)
書き込み電圧V_set=4.0V
ダイオードのブレイクダウン電圧VBD=2V
(読み出し動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLread=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLread=1.0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
(書き込み動作時)
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線の電位:Von=3V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているワード線以外のワード線の電位:Voff=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線の電位:VSLset=0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているソース線以外のソース線の電位:フローティング
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線の電位:VBLset=5.0V
選択メモリ素子M(2,1,2)に接続されているビット線以外のビット線の電位:フローティング
The nonvolatile semiconductor memory device 500 of the present invention according to this embodiment is considered in the same manner as the nonvolatile semiconductor memory device of the unipolar operation described in the first embodiment, except that the erase operation cannot be performed. Can do. The data read operation and write operation in the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to the present embodiment are the same as the operations described in the first embodiment, and therefore will not be described again here. Hereinafter, in the nonvolatile semiconductor memory device 600 of the present invention according to the present embodiment, as in the second embodiment, an example of parameters of the memory element M and a word line when selecting the memory element M (2, 1, 2) Examples of voltages applied to WL1 to WL3, source lines SL1 to SL3, and bit lines BL1 to BL3 are shown.
(Memory element parameters)
Write voltage V_set = 4.0V
Diode breakdown voltage VBD = 2V
(During read operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLread = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLread = 1 0.0V
Bit line potentials other than bit lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): floating (during write operation)
The potential of the word line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Von = 3V
Potentials of word lines other than word lines connected to the selected memory element M (2, 1, 2): Voff = 0V
The potential of the source line connected to the selected memory element M (2, 1, 2): VSLset = 0V
Potentials of source lines other than source lines connected to selected memory element M (2, 1, 2): Potentials of bit lines connected to floating selected memory element M (2, 1, 2): VBLset = 5 0.0V
Bit line potential other than bit line connected to selected memory element M (2, 1, 2): floating
以下、本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置600の製造プロセスについて説明する。本実施形態に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置600の製造プロセスにおいては、実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1の製造プロセスと同様な部分については、ここでは再度の説明を省略する。 Hereinafter, a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to the present embodiment will be described. In the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 600 of the present invention according to this embodiment, the same parts as those of the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention according to Embodiment 1 will be described again here. Omitted.
実施形態1の図28において説明した工程と同様、レジストマスクを形成し(図示せず)、酸化珪素膜130、134、138、142及び146並びにp型ポリシリコン膜132、136、140及び144の一部をエッチングすることにより、ホール154a〜154h及びp型ポリシリコン膜132a、136a、140a及び144aを形成する(図85)。このとき、窒化珪素膜128がエッチングストッパー膜として機能する。なお、本実施形態においては、円柱状のホール154a〜154hを形成するようにしたが、これに限定されるわけではなく、角柱状、楕円柱状等種々の形状のホールを形成するようにしてもよい。 Similar to the process described in FIG. 28 of the first embodiment, a resist mask is formed (not shown), and the silicon oxide films 130, 134, 138, 142, and 146 and the p-type polysilicon films 132, 136, 140, and 144 are formed. By partially etching holes 154a to 154h and p-type polysilicon films 132a, 136a, 140a and 144a are formed (FIG. 85). At this time, the silicon nitride film 128 functions as an etching stopper film. In the present embodiment, the cylindrical holes 154a to 154h are formed. However, the present invention is not limited to this, and various shapes such as a prismatic shape and an elliptical shape may be formed. Good.
次に、基板100全面に絶縁膜210を形成する。本実施形態においては、約2nmの酸化珪素膜を形成したが、絶縁膜の厚さ及び材料は、これに限定されるわけではない。 Next, an insulating film 210 is formed on the entire surface of the substrate 100. In this embodiment, a silicon oxide film of about 2 nm is formed, but the thickness and material of the insulating film are not limited to this.
次に、反応性イオンエッチングにより、絶縁膜210の一部及び窒化珪素膜128の一部をエッチング除去する(図87)。次に、基板100全面にn型ポリシリコン212を堆積し、CMPもしくはエッチバック法を用いることによってn型ポリシリコン層210a〜210hを形成する(図87)。本実施形態においては、n型ポリシリコンを形成したが、n型のアモルファスシリコンを形成し、アニールすることによってn型のポリシリコン層を形成するようにしてもよい。 Next, a part of the insulating film 210 and a part of the silicon nitride film 128 are removed by reactive ion etching (FIG. 87). Next, n-type polysilicon 212 is deposited on the entire surface of the substrate 100, and n-type polysilicon layers 210a to 210h are formed by using CMP or an etch back method (FIG. 87). In this embodiment, n-type polysilicon is formed. However, n-type amorphous silicon may be formed and annealed to form an n-type polysilicon layer.
その後、種々の配線を形成し、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置600のメモリ素子領域3が完成する。 Thereafter, various wirings are formed, and the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 600 according to this embodiment is completed.
(実施形態9)
上述の実施形態1〜実施形態8においては、メモリ素子領域3の選択トランジスタ20をメモリ素子の下部に配置する例について説明した。本実施形態においては、メモリ素子領域3の選択トランジスタ20をメモリ素子の上部に配置する例、並びに選択トランジスタ20を上部及び下部の両側に配置する例ついて説明する。本実施形態の選択トランジスタの配置例は、上述の全ての実施形態に適用することができる。
(Embodiment 9)
In the above-described first to eighth embodiments, the example in which the select transistor 20 in the memory element region 3 is disposed below the memory element has been described. In the present embodiment, an example in which the selection transistor 20 in the memory element region 3 is arranged on the upper side of the memory element and an example in which the selection transistor 20 is arranged on both upper and lower sides will be described. The arrangement example of the selection transistor of this embodiment can be applied to all the above-described embodiments.
図88を参照する。ここでは、実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1を例に採って説明している。図88(A)は、上述の実施形態1〜実施形態8において説明したとおり、メモリ素子領域3の選択トランジスタ20をメモリ素子の下部に配置する構成例である。 Refer to FIG. Here, the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the first embodiment will be described as an example. FIG. 88A shows a configuration example in which the select transistor 20 in the memory element region 3 is disposed below the memory element as described in the first to eighth embodiments.
図88(B)は、メモリ素子領域3の選択トランジスタ20をメモリ素子の上部に配置する構成例である。図88(B)に示す例においては、メモリ素子15a〜15dを形成した後、選択トランジスタ20を形成する。 FIG. 88B shows a configuration example in which the select transistor 20 in the memory element region 3 is arranged above the memory element. In the example shown in FIG. 88B, after the memory elements 15a to 15d are formed, the selection transistor 20 is formed.
図89(A)は、メモリ素子領域3の選択トランジスタ20をメモリ素子の上部に配置する構成例である。図89(A)に示す例においては、下部の選択220を形成し、メモリ素子15a〜15dを形成した後、上部の選択トランジスタ20を形成する。図89(A)に示す構造を採用することによって、図10〜図12で説明した回路構成を実現することができる。 FIG. 89A shows a configuration example in which the select transistor 20 in the memory element region 3 is arranged above the memory element. In the example shown in FIG. 89A, the lower selection 220 is formed, the memory elements 15a to 15d are formed, and then the upper selection transistor 20 is formed. By employing the structure shown in FIG. 89A, the circuit configuration described with reference to FIGS. 10 to 12 can be realized.
(実施形態10)
上述の実施形態1〜実施形態8においては、メモリ素子領域3のメモリ素子15及び選択トランジスタ20がワード線WLの幅よりも小さく、上部から見たとき、メモリ素子15及び選択トランジスタ20がワード線内に配置されている例について説明した。本実施形態においては、メモリ素子領域3のメモリ素子15及び選択トランジスタ20がワード線WLの幅よりも小さく、上部から見たとき、メモリ素子15がワード線からはみ出して配置されている例について説明する。本実施形態のメモリ素子15及び選択トランジスタ20の配置例は、上述の全ての実施形態に適用することができる。
(Embodiment 10)
In the first to eighth embodiments described above, the memory element 15 and the selection transistor 20 in the memory element region 3 are smaller than the width of the word line WL, and when viewed from above, the memory element 15 and the selection transistor 20 are not connected to the word line. The example arrange | positioned in was demonstrated. In the present embodiment, an example in which the memory element 15 and the selection transistor 20 in the memory element region 3 are smaller than the width of the word line WL and the memory element 15 is arranged so as to protrude from the word line when viewed from above. To do. The arrangement example of the memory element 15 and the selection transistor 20 of the present embodiment can be applied to all the above-described embodiments.
図90を参照する。ここでは、実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1を例に採って説明している。図90(A)は、上述の実施形態1で説明した図2(C)に相当する図である。図90(A)においても、説明の便宜上、一部は、その上部構造が剥離されて示されている。図90(B)は、選択トランジスタ20部の構造を示す上面図である。図90(A)及び(B)に示す例においては、最小加工寸法をFとすると、メモリ素子15のA−A’方向の長さは3Fであり、且つ、B−B’方向の長さは2Fであり、1つのメモリストリングスがn個のメモリ素子15を有する場合(n個のメモリ素子が積層されている場合)、メモリ素子15の面積は6F2/nとなる。 Refer to FIG. Here, the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the first embodiment will be described as an example. FIG. 90A is a diagram corresponding to FIG. 2C described in the first embodiment. Also in FIG. 90 (A), for convenience of explanation, part of the upper structure is shown separated. FIG. 90B is a top view showing a structure of the selection transistor 20 portion. In the example shown in FIGS. 90A and 90B, when the minimum processing dimension is F, the length of the memory element 15 in the AA ′ direction is 3F and the length in the BB ′ direction. Is 2F, and when one memory string includes n memory elements 15 (when n memory elements are stacked), the area of the memory element 15 is 6F 2 / n.
図91を参照する。図91(A)は、図90(A)と同様、実施形態1に係る本発明の不揮発性半導体記憶装置1のメモリ素子領域3の上面図である。図91(A)においても、説明の便宜上、一部は、その上部構造が剥離されて示されている。図91(B)は、選択トランジスタ20部の構造を示す上面図である。おいては、メモリ素子領域3のメモリ素子15及び選択トランジスタ20がワード線WLの幅よりも小さく、上部から見たとき、メモリ素子15がワード線からはみ出して配置されている。図91(A)及び(B)に示す例においては、最小加工寸法をFとすると、メモリ素子15のA−A’方向の長さは2Fであり、且つ、B−B’方向の長さは2Fであり、1つのメモリストリングスがn個のメモリ素子15を有する場合(n個のメモリ素子が積層されている場合)、メモリ素子15の面積は4F2/nとなる。よって、図91(A)及び(B)に示すメモリ素子及び選択トランジスタの配置構造を採用することにより、より面積効率に優れた不揮発性半導体記憶装置を実現することができる。 Refer to FIG. FIG. 91 (A) is a top view of the memory element region 3 of the nonvolatile semiconductor memory device 1 according to the first embodiment, as in FIG. 90 (A). Also in FIG. 91A, for convenience of explanation, a part of the upper structure is shown peeled off. FIG. 91B is a top view showing the structure of the select transistor 20 portion. In this case, the memory element 15 and the select transistor 20 in the memory element region 3 are smaller than the width of the word line WL, and when viewed from above, the memory element 15 is disposed so as to protrude from the word line. In the example shown in FIGS. 91A and 91B, when the minimum processing dimension is F, the length of the memory element 15 in the AA ′ direction is 2F, and the length in the BB ′ direction. Is 2F, and when one memory string includes n memory elements 15 (when n memory elements are stacked), the area of the memory element 15 is 4F 2 / n. Therefore, by employing the arrangement structure of the memory elements and selection transistors shown in FIGS. 91A and 91B, a nonvolatile semiconductor memory device with more excellent area efficiency can be realized.
1 不揮発性半導体記憶装置
3 メモリ素子領域
5 ビット線
7 ビット線駆動回路
9 ソース線
11 ワード線
13 ワード線駆動回路
15 メモリ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nonvolatile semiconductor memory device 3 Memory element area | region 5 Bit line 7 Bit line drive circuit 9 Source line 11 Word line 13 Word line drive circuit 15 Memory element
Claims (5)
前記メモリ素子群の前記複数のメモリ素子それぞれの一端にそれぞれ接続された複数のソース線と、
を有し、
前記複数のメモリ素子群の前記複数のソース線は、それぞれ、2次元的に広がる板状の導電体層であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A plurality of memory element groups each including a plurality of memory elements in which a resistance change element and a diode are connected in series;
A plurality of source lines respectively connected to one end of each of the plurality of memory elements of the memory element group;
Have
The non-volatile semiconductor memory device, wherein each of the plurality of source lines of the plurality of memory element groups is a two-dimensional plate-like conductor layer.
前記メモリ素子群の前記複数のメモリ素子それぞれの一端にソース及びドレインの一方がそれぞれ接続された複数の選択トランジスタと、
前記のメモリ素子群の前記複数のメモリ素子それぞれの他端にそれぞれ接続された複数のソース線と、
前記複数の選択トランジスタのソース及びドレインの他方がそれぞれ接続された複数のビット線と、
前記複数の選択トランジスタのゲートがそれぞれ接続された複数のワード線と、
を有し、
前記複数のソース線は、それぞれ、2次元的に広がる板状の導電体層であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A plurality of memory element groups each including a plurality of memory elements in which a resistance change element and a diode are connected in series;
A plurality of select transistors each having one of a source and a drain connected to one end of each of the plurality of memory elements of the memory element group;
A plurality of source lines respectively connected to the other ends of the plurality of memory elements of the memory element group;
A plurality of bit lines to which the other of the sources and drains of the plurality of selection transistors is connected;
A plurality of word lines to which gates of the plurality of selection transistors are respectively connected;
Have
The non-volatile semiconductor memory device, wherein each of the plurality of source lines is a plate-like conductor layer extending two-dimensionally.
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